DE10103557B4

DE10103557B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Entschwefelung einer Katalysatoreinrichtung

Info

Publication number: DE10103557B4
Application number: DE10103557A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Michael Daetz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2021-01-27
Also published as: DE10103557A1

Abstract

Verfahren Zur Durchführung des Schwefelaustrages aus einer einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine nachgeschalteten Katalysatoreinrichtung durch Anfetten, des Abgases der Brennkraftmaschine, wobei der Schwefelaustrag bei Überschreitung einer Mindesttemperatur und einer Mindestschwefelbeladung der Katalysatoreinrichtung in einem bestimmten Drehzahl-Last-Bereich des Brennkraftmaschinenkennfeldes eingeleitet wird, wobei
– der Drehzahl-Last-Bereich unterhalb einer Schwelle liegt, bei der eine lastbedingte Gemischanreicherung auf Lambda < 1 erfolgt;
– die Mindestschwefelbeladung unterhalb eines Schwefelbeladungsschwellenwertes liegt, der einer Höchstkatalysatordesaktivierung oder einer Mindestkatalysatoraktivität zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Abgasreinigung entspricht;
– die Mindesttemperatur in Abhängigkeit von der Schwefelbeladung und/oder der Mindestschwefelbeladung bestimmt wird, wobei die Mindesttemperatur mit zunehmender Schwefelbeladung zu niedrigeren Werten hin verschoben wird; und
– die Anfettung in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur und der Schwefelbeladung so gesteuert wird, daß im wesentlichen keine Schwefelwasserstoffemission erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung des Schwefelaustrages aus einer einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine nachgeschalteten Katalysatoreinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch ein Kraftfahrzeug zur Durchführung dieses Verfahrens.
Katalysatoreinrichtungen, wie z. B. NO_x-Speicherkatalysatoren oder 3-Wege-Katalysatoren, sind ein unverzichtbarer Bestandteil moderner Kraftfahrzeuge, da sich nur durch eine katalytische Abgasnachbehandlung die zunehmend strenger werdenden Abgasnormen einhalten und die Forderungen nach einer minimalen Schadstoffemission erfüllen lassen. Die Katalysatoreinrichtungen werden jedoch durch den im Kraftstoff enthaltenen Schwefel allmählich vergiftet, so daß sich ihre katalytische Aktivität nach und nach verringert und schließlich eine zur Erfüllung der vorgeschriebenen Abgasnormen zumindest erforderliche Mindestkatalysatoraktivität unterschreitet. Diese Schwefelvergiftung ist jedoch bei hinreichend hohen Katalysatortemperaturen unter reduzierenden Abgasbedingungen im wesentlichen reversibel, so daß die Katalysatoreinrichtungen bei Überschreitung eines der Mindestkatalysatoraktivität oder Höchstkatalysatordesaktivierung entsprechenden Schwefelbeladungsschwellenwertes üblicherweise durch Anfetten des Abgases und Einstellung einer hinreichend hohen Katalysatortemperatur mittels geeigneter Katalysatorheizmaßnahmen in regelmäßigen Abständen unter Freisetzung des eingelagerten Schwefels regeneriert werden.
NO_x-Speicherkatalysatoren auf Bariumbasis werden im Rahmen solch einer „aktiven” Schwefelregeneration oder De-Sulfatierung üblicherweise bei Überschreitung eines Schwefelbeladungsschwellenwertes von etwa 1–1,5 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen durch Katalysatorheizmaßnahmen beispielsweise auf Temperaturen von mehr als etwa 600°C erhitzt, wobei mit steigender Katalysatortemperatur bei konstantem Lambdawert ≤ 1 eine starke Zunahme der De-Sulfatierungs- oder Entschwefelungsgeschwindigkeit zu verzeichnen ist. Mit zunehmender Abgasanfettung, d. h. mit abnehmenden Lambdawerten, nimmt die Entschwefelungsgeschwindigkeit bei gleicher Katalysatortemperatur ebenfalls stark zu, wobei die Konzentration schwefelhaltiger Komponenten im Abgas ansteigt. Ferner werden die eingelagerten Schwefelkomponenten zunehmend stärker in Form von Schwefelwasserstoff und nicht mehr, wie bei höheren Lambdawerten, in Form von Schwefeldioxid abgegeben, so daß hohe Katalysatortemperaturen und niedrige Lambdawerte mit einer unerwünschten starken Geruchsbelästigung durch den entstehenden Schwefelwasserstoff verbunden sind.
Zu Beginn eines solchen Entschwefelungsvorganges kann der oberflächennahe Schwefel leicht freigesetzt werden, während die in tieferliegenden Washcoatzonen eingelagerten Sulfate nur langsam wieder abgegeben werden. Die Schwefelemissionen sind daher zunächst relativ hoch und nehmen dann degressiv ab.
Die Art oder die Zusammensetzung des freigesetzten Schwefels sowie der Umfang und die Geschwindigkeit einer solch „aktiven” Katalysatorentschwefelung werden in der Praxis daher durch geeignete Wahl des Lambdawertes und der Katalysatortemperatur ganz gezielt so gesteuert, daß die Emission unerwünschter Schwefelkomponenten, wie Schwefelwasserstoff im wesentlichen unterbleibt.
Aus DE 199 10 664 A1 ist ein Verfahren zur Entschwefelung eines NO_x-Speicherkatalysators bekannt, der einem magerlauffähigen direkteinspritzenden Ottomotor nachgeschaltet ist. Dabei wird mittels eines stromab des NO_x-Speicherkatalysators angeordneten NO_x-Sensors die NO_x-Emission überwacht und bei Überschreitung eines Grenzwertes oder bei Auftreten eines charakteristischen Abweichmusters der NO_x-Emission eine Entschwefelungsnotwendigkeit festgestellt. Zusätzlich wird eine Schwefelbeladung des NO_x-Speicherkatalysators prognostiziert oder berechnet und die Überschreitung eines Beladungsgrenzwertes als ein weiteres Kriterium für die Feststellung einer Entschwefelungsnotwendigkeit herangezogen. Zur Durchführung der Entschwefelung wird der Katalysator auf eine vorbestimmte Desulfatisierungstemperatur aufgeheizt und anschließend mit einem angefetteten Abgas beaufschlagt, wobei der Lambdawert des Abgases zeitlich so variiert wird, daß unerwünschte Nebenemissionen während der Entschwefelung unterdrückt werden.
Neben diesen gezielt eingeleiteten und gesteuerten oder geregelten Entschwefelungsvorgängen oder „aktiven” De-Sulfatierungen können jedoch bei bestimmten Fahrsituationen auch sogenannte „natürliche” Entschwefelungen auftreten, deren Ablauf herkömmlicherweise nicht steuerbar ist und infolge der dabei vorliegenden Betriebsbedingungen üblicherweise mit unerwünschten Geruchsbelästigungen durch freigesetzten Schwefelwasserstoff verbunden ist.
Wird ein Kraftfahrzeug beispielsweise längere Zeit im Stadtverkehr betrieben, ist mit einer hohen Schwefelbeladung der verwendeten Katalysatoreinrichtung zu rechnen, die nicht durch zwischenzeitliche Entschwefelungsvorgänge abgebaut wird. Bei einer sich beispielsweise anschließenden Autobahnfahrt wird die Katalysatoreinrichtung jedoch auf die Mindest-Entschwefelungstemperatur oder darüber hinaus aufgeheizt. Solange der Fahrer nur bis zu etwa 80% der Maximalgeschwindigkeit fährt und nicht Vollgas gibt, wird fahrzustandsbedingt kein Fettbetrieb gefordert, der eine Entschwefelung auslösen könnte. Die Katalysatoreinrichtung kann hierbei jedoch sehr heiß werden, wobei Temperaturen von immerhin bis zu etwa 720°C erreicht werden können. Wenn bei einem derart heißen Katalysator mit starker Schwefelbeladung (schlimmstenfalls schlagartig) fahrzustandsbedingt ein Fettbetrieb mit einem Lambdawert ≤ 0,97 angefordert wird, wird der gesamte gespeicherte Schwefel extrem schnell in Form von Schwefelwasserstoff freigesetzt, was naturgemäß mit entsprechend starken Geruchsbelästigungen verbunden ist. Ein solcher eine nahezu schlagartige Entschwefelung bewirkender Fettbetrieb bei stark schwefelbeladenem heißem Katalysator läßt sich in der Praxis nicht vermeiden, da er beispielsweise entweder beim Vollgasgeben zur Erbringung der vollen Motorleistung angefordert wird oder aber auch zum Bauteilschutz, wobei das Abgas durch die Verdampfungsenthalpie des zusätzlich eingespritzten aber nicht mehr verbrennenden Kraftstoffs so weit abgekühlt wird, daß vorgebbare Bauteiltemperaturen nicht mehr überschritten werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines gattungsgemäßen Entschwefelungsverfahrens, mit dem sich das Auftreten solch unerwünschter Schwefelwasserstoffemissionen bei „natürlichen” Entschwefelungsvorgängen im Rahmen einer fahrzustandsbedingten starken Gemischanreicherung bei einer stark schwefelbeladenen heißen Katalysatoreinrichtung möglichst vermeiden oder zumindest stark unterdrücken oder abschwächen läßt. Die Aufgabe besteht auch in der Schaffung eines entsprechenden Kraftfahrzeugs zur Durchführung dieses Verfahrens.
Der erste Teil der Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bereits unterhalb des oberen Teillast- oder Volllastbereichs, in dem mit dem fahrzustandsbedingten Auftreten „natürlicher” Entschwefelungsvorgänge mit unerwünschten Schwefelwasserstoffemissionen zu rechnen ist, gezielt eine vorgezogene Gemischanreicherung oder Anfettung durchgeführt wird, um die eingelagerte Schwefelmenge bereits rechtzeitig vor Erreichen des genannten Lastbereichs möglichst vollständig freizusetzen und damit eventuelle „natürliche” Entschwefelungsvorgänge entweder ganz zu unterbinden oder aber zumindest die dabei auftretenden Geruchsbelästigungen durch eine zuvorige weitgehende Verringerung der Schwefelbeladung der Katalysatoreinrichtung zu minimieren.
Die Drehzahl und/oder die Last und/oder die Fahrgeschwindigkeit betragen hierbei vorzugsweise höchstens etwa 80% des jeweiligen Maximalwertes, wobei in der Praxis üblicherweise jedoch bereits bei weit geringeren Werten eine vorgezogene erfindungsgemäße Gemischanreicherung eingeleitet wird, um eine möglichst große Zeitspanne für die Entschwefelung der Katalysatoreinrichtung zur Verfügung zu haben. Die Drehzahl betragt vorzugsweise zumindest jedoch etwa 3000 min^–1, während der effektive Mitteldruck zumindest etwa 5 bar beträgt.
Zur Erreichung eines möglichst vollständigen und rechtzeitigen Schwefelaustrages wird die Gemischanreicherung oder Anfettung hierbei erfindungsgemäß bereits bei Überschreitung einer Mindestschwefelbeladung eingeleitet, die noch unterhalb, gegebenenfalls sogar noch sehr weit unterhalb, eines einer noch zulässigen Höchstkatalysatordesaktivierung oder Mindestkatalysatoraktivität entsprechenden Schwefelbeladungsschwellenwertes liegt, bei dessen Überschreitung herkömmlicherweise durch Einleitung geeigneter Katalysatorheizmaßnahmen und Anfetten des Abgases eine „aktive” Schwefelregeneration der Katalysatoreinrichtung durchgeführt wird, um eine ordnungsgemäße Abgasreinigung und die Einhaltung der vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte zu gewährleisten. Die Mindestschwefelbeladung beträgt hierbei vorzugsweise lediglich 0,1–1, insbesondere 0,2–0,5 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen, während der genannte Schwefelbeladungsschwellenwert üblicherweise zwischen etwa 1 und 1,5 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen oder sogar noch darüber liegt.
Zudem wird die erfindungsgemäße Gemischanreicherung auch bereits bei relativ niedrigen Katalysatortemperaturen eingeleitet, um einen möglichst früh anlaufenden Schwefelaustrag und eine möglichst lange verfügbare Entschwefelungszeitspanne zu erreichen, damit sich bei einer zunächst entsprechend niedrigen Reaktionsgeschwindigkeit Konzentrationsspitzen möglichst vermeiden lassen und die maximalen Konzentrationen niedrig gehalten werden. Die Mindesttemperatur wird daher insbesondere in Abhängigkeit von der ermittelten Schwefelbeladung und/oder der eingestellten Mindestschwefelbeladung geeignet gewählt, wobei mit zunehmender Schwefelbeladung eine Verschiebung zu niedrigen Werden hin erfolgt. Die Mindesttemperatur beträgt vorzugsweise 500–650°C, insbesondere jedoch 550–580°C.
Außerdem wird die Anfettung erfindungsgemäß in Abhängigkeit von der Schwefelbeladung zu Beginn des Anfettungsvorgangs und/oder der aktuellen Schwefelbeladung während der Anfettung so gesteuert, daß im wesentlichen kein Schwefelwasserstoff freigesetzt wird und unerwünschte Geruchsbelästigungen unterbleiben.
Die Anfettung wird bei Überschreitung bestimmter Drehzahl- und/oder Lastschwellenwerte vorzugsweise stufenweise durchgeführt.
Die Gemischanreicherung erfolgt vorzugsweise bis zu einem Lambdawert zwischen etwa 0,98 und 1,00, insbesondere jedoch etwa 0,99 bis 1,00. Es ist jedoch auch denkbar, den Lambdawert durch die erfindungsgemäße Gemischanreicherung wesentlich stärker abzusenken und dafür die Absenkungsdauer entsprechend kurz zu wählen, um unerwünschte Schwefelwasserstoffemissionen zu vermeiden. Eine entsprechende Absenkung des Lambdawertes kann nach einem zwischenzeitlichen kurzen Magerbetrieb in bekannter Weise gegebenenfalls auch mehrfach erfolgen, um den gesamten Schwefel freizusetzen.
Gegebenenfalls kann auch ein Lambda-Wobble durchgeführt werden, bei dem man den Lambdawert auf bestimmte Art und Weise schwingen läßt. Hierbei wird mit einer zeitlich gesteuerten oder geregelten variablen Lambdasollvorgabe gearbeitet, wobei Lambda zumindest zeitweise Werte ≥ 1,00 annehmen kann.
Mit zunehmender Schwefelbeladung und absinkender Mindesttemperatur wird das Abgas weniger stark angefettet.
Die Steuerung des erfindungsgemäßen Anfettungsvorganges erfolgt vorzugsweise mittels eines beladungsabhängigen Soll-Lambdawertes, der additiv aus einem Roh-Lambdawert und einer maximalen Lambdaabweichung ermittelt wird. Der Roh-Lambdawert und die maximale Lambdaabweichung werden hierbei zunächst jeweils in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Einspritzmenge bestimmt, wobei die maximale Lambdaabweichung zusätzlich noch multiplikativ mit einem Bewertungsfaktor korrigiert oder gewichtet wird, der zuvor in Abhängigkeit von der aktuellen Schwefelbeladung und/oder der Schwefelbeladung zu Beginn der Anfettung ermittelt wird. Der Bewertungsfaktor liegt vorzugsweise zwischen 0 und 1, wobei er bei einer Schwefelbeladung von mehr als etwa 0,5 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen stets gleich 1 gesetzt wird. Die korrigierte oder gewichtete maximale Lambdaabweichung beträgt vorzugsweise höchstens etwa –0,03.
Zur Steuerung der Gemischanreicherung kann jedoch auch ein beladungs- und temperaturabhängiger Soll-Lambdawert verwendet werden, der bei Überschreitung der schwefelabhängigen Temperaturvorgabe oder Mindesttemperatur als Minimum eines ersten und eines zweiten Soll-Lambdawertes bestimmt wird, die zuvor in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur oder gegebenenfalls auch einer sonstigen charakteristischen Temperatur der Abgasanlage oder einer kritischen Ist-Temperatur bzw. der aktuellen Schwefelbeladung und/oder der Schwefelbeladung zu Beginn der Anfettung ermittelt wurden. Die Mindesttemperatur wird hierbei ebenfalls in Abhängigkeit von der aktuellen Schwefelbeladung und/oder der Schwefelbeladung zu Beginn der Anfettung ermittelt. Die angegebene Abhängigkeit des ersten Soll-Lambdawertes von der Katalysatortemperatur umfaßt hierbei eine Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz, die gleich der Differenz einer maximalen Soll-Temperatur, insbesondere etwa 700°C, und der Katalysatortemperatur oder einer sonstigen charakteristischen Temperatur der Abgasanlage ist.
Die angegebenen Abhängigkeiten von der Drehzahl, der Einspritzmenge, der Schwefelbeladung und/oder der Temperatur werden hierbei vorzugsweise durch Kennfeldabfragen bestimmt.
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Schwefelbeladung der Katalysatoreinrichtung wird hierbei mittels einer der Brennkraftmaschine zugeordneten entsprechend angelegten Einrichtung, wie z. B. eine Steuerungseinrichtung für die Brennkraftmaschine, über den kumulierten Kraftstoffverbrauch seit einem letzten Entschwefelungs- oder De-Sulfatierungsvorgang kontinuierlich bestimmt, wobei vereinfachend mit einer für die Praxis hinreichenden Genauigkeit von einer hundertprozentigen Effizienz bei der Schwefeleinlagerung ausgegangen werden kann. Gegebenenfalls werden hierbei auch Restschwefelbeladungen bei vorzeitig abgebrochenen oder unvollständig verlaufenden Entschwefelungsvorgängen berücksichtigt. Ein eventueller Schwefelaustrag durch zwischenzeitliche NO_x-Regenerationen ist hierbei in guter Näherung vernachlässigbar. Es sind jedoch auch andere Bestimmungsmöglichkeiten denkbar.
Die Katalysatortemperatur wird vorzugsweise einfach mittels je eines der Katalysatoreinrichtung vor- bzw. nachgeschalteten Temperatursensors und/oder mittels zumindest eines direkt an der Katalysatoreinrichtung angebrachten Temperaturfühlers kontinuierlich bestimmt, deren Temperatursignale einer zugeordneten Brennkraftmaschinen-Steuerungseinrichtung zur Erfassung und Auswertung zugeführt werden. Die Katalysatortemperatur kann jedoch auch mit hinreichender Genauigkeit durch geeignete Modellierungs- oder Modellrechnungen bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für einen direkteinspritzenden Ottomotor mit einem nachgeschalteten NO_x-Speicherkatalysator und/oder 3-Wege-Katalysator.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens umfaßt neben einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine, insbesondere ein direkteinspritzender Ottomotor, auch eine der Brennkraftmaschine nachgeschaltete Katalysatoreinrichtung, wie z. B. ein NO_x-Speicherkatalysator und/oder ein 3-Wege-Katalysator. Es umfaßt zudem eine Einrichtung zur Bestimmung der Katalysatortemperatur, wie z. B. je einen der Katalysatoreinrichtung vor- bzw. nachgeschalteten Temperatursensor und/oder zumindest einen an der Katalysatoreinrichtung angebrachten Temperatursensor und/oder eine Temperatur-Modellierungseinrichtung, und eine Einrichtung zur Bestimmung der Schwefelbeladung der Katalysatoreinrichtung. Die genannten Einrichtungen sind zur Erfassung und Auswertung der ermittelten Werte jeweils mit einer zugeordneten Steuerungseinrichtung für die Brennkraftmaschine verbunden (oder eventuell auch in diese integriert), die erfindungsgemäß so ausgelegt ist, daß die Brennkraftmaschine unterhalb des oberen Teillast- oder Volllastbereiches bei Überschreitung einer vorgebbaren Mindesttemperatur und einer vorgebbaren Mindestschwefelbeladung der Katalysatoreinrichtung in einen fetten Betriebsmodus umschaltet und diesen bezüglich der Abgastemperatur und der Abgaszusammensetzung so steuert, daß der in der Katalysatoreinrichtung eingelagerte Schwefel möglichst vollständig im wesentlichen in Form von Schwefeldioxid freigesetzt wird und unerwünschte Schwefelwasserstoffemissionen gezielt unterdrückt oder vermieden werden. Die Mindestschwefelbeladung wird hierbei unterhalb eines einer noch zulässigen Höchstkatalysatordesaktivierung oder Mindestkatalysatoraktivität zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Abgasreinigung entsprechenden Schwefelbeladungsschwellenwertes eingestellt. Die Steuerungseinrichtung ist erfindungsgemäß zudem so ausgelegt, daß sie die Mindesttemperatur in Abhängigkeit von der Schwefelbeladung und/oder der Mindestschwefelbeladung ermittelt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich nicht nur aus den zugehörigen Ansprüchen – für sich und/oder in Kombination – sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen „natürlichen” Entschwefelungsvorgang nach dem Stand der Technik mit einer zeitabhängigen Darstellung der wichtigsten Betriebsparameter;
2 eine temperatur- und beladungsabhängige erfindungsgemäße „vorgezogene” Gemischanreicherung und ihre Auswirkung auf eine anschließende „natürliche” Entschwefelung in einer zu 1 entsprechenden Darstellung;
3 eine beladungsabhänige Steuerung des Lambdawertes bei einer erfindungsgemäßen „vorgezogenen” Gemischanreicherung; und
4 eine beladungs- und temperaturabhängige Steuerung des Lambdawertes bei einer erfindungsgemäßen „vorgezogenen” Gemischanreicherung.
1 zeigt einen „natürlichen” Entschwefelungsvorgang bei einem herkömmlich betriebenen magerlauffähigen Kraftfahrzeug mit einem NO_x-Speicherkatalysator, das nach einer längeren Zeit im Stadtverkehr ohne zwischenzeitliche Entschwefelung zunächst mit einer relativ niedrigen konstanten Fahrgeschwindigkeit auf der Autobahn bewegt wird. In übereinander angeordneten Einzeldiagrammen sind hierbei die Fahrgeschwindigkeit, die Katalysatortemperatur, der Umfang und die Art der Schwefelemission und die Schwefelbeladung des Katalysators als Funktion der Zeit dargestellt. In dem obersten Teildiagramm ist zudem noch der Lambdawert des Abgases in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen.
Die Fahrgeschwindigkeit beträgt zunächst konstant etwa 100 km/h, wobei das Kraftfahrzeug, das einen magerlauffähigen direkteinspritzenden Ottomotor umfaßt, im Homogenbetrieb mit einem Lambdawert oder einer Lambda-Sollvorgabe von 1,00 betrieben wird. Die Katalysatortemperatur liegt bei etwa 450°C, so daß eine ordnungsgemäße Katalysatorfunktion und eine wunschgemäße Abgasreinigung gewährleistet ist. Bei den angegebenen Betriebsbedingungen sind die Schwefelemissionen im wesentlichen zu vernachlässigen, so daß die durch den Stadtverkehr bedingte hohe Schwefelbeladung von 1,5 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen zunächst im wesentlichen unverändert bleibt, da auch die durch den Kraftstoffverbrauch bedingte Beladungszunahme in dem angegebenen Maßstab nicht ins Gewicht fällt.
Nach einer bestimmten Zeit wird die Fahrgeschwindigkeit bei konstanter Beschleunigung ohne Veränderung des Lambdawertes allmählich erhöht, was mit einer entsprechenden Erhöhung der Katalysatortemperatur verbunden ist, ohne daß jedoch bereits eine erhöhte Schwefelemission oder gar unerwünschte Emissionsprodukte zu verzeichnen wären. Die Schwefelbeladung des Katalysators bleibt daher zunächst nach wie vor unverändert hoch bei 1,5 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen, da durch die Geschwindigkeitserhöhung zwar die Mindestkatalysatortemperatur zur Einleitung einer aktiven Schwefelregeneration, nicht jedoch der entsprechende Schwefelbeladungsschwellenwert überschritten wird und demgemäß auch keine aktive Schwefelregeneration durchgeführt wird.
Bei einer Fahrgeschwindigkeit von etwa 160 km/h setzt eine fahrzustandsbedingte Volllastanreicherung ein, durch die der Lambdawert innerhalb kurzer Zeit zunächst auf 0,95 abgesenkt und dann konstant gehalten wird. Die Katalysatortemperatur steigt hierbei bis auf über etwa 750°C an, während sich die Fahrgeschwindigkeit auf etwa 190 km/h erhöht. Durch die relativ schnelle und starke Absenkung des Lambdawertes in Verbindung mit der äußerst hohen Katalysatortemperatur wird der eingelagerte Schwefel bei Lambdawerten bis zu etwa 0,98 zunächst kurzfristig in Form von Schwefeldioxid emittiert, was sich in Form eines relativ schmalen und intensiven SO₂-Emissionspeaks bemerkbar macht. Bereits nach kurzer Zeit geht die SO₂-Emission infolge der weiteren Absenkung des Lambdawertes jedoch auf Null zurück, während nahezu gleichzeitig eine abrupte Schwefelwasserstoffemission einsetzt, die sich in Form eines sehr hohen und breiten Schwefelwasserstoff-Emissionpeaks mit einer entsprechend starken Geruchsbelästigung bemerkbar macht, so daß nahezu die gesamte gespeicherte Schwefelmenge in Form dieses unerwünschten Emissionsproduktes freigesetzt wird. Die Schwefelbeladung des NO_x-Speicherkatalysators geht hierbei bis zu dessen nahezu vollständigen Regeneration bis auf Null zurück, wodurch er seine volle Katalysatoraktivität im wesentlichen zurückerlangt, so daß wiederum eine ordnungsgemäße Abgasreinigung gewährleistet ist.
2 zeigt anhand einer zu 1 entsprechenden Darstellung eine erfindungsgemäß vorgezogene Gemischanreicherung und ihren Einfluß auf einen anschließenden natürlichen Entschwefelungsvorgang infolge einer fahrzustandsbedingten Volllastanreicherung. Es wird wiederum von einem Kraftfahrzeug mit einem magerlauffähigen direkteinspritzenden Ottomotor mit nachgeschaltetem NO_x-Speicherkatalysator ausgegangen, das nach einer längeren Zeit im Stadtverkehr ohne zwischenzeitliche Schwefelregeneration mit einer entsprechend hohen Schwefelbeladung des Katalysators von 1,5 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen zunächst wieder mit einer konstanten Fahrgeschwindigkeit von etwa 100 km/h auf der Autobahn bewegt wird. Bei einer Katalysatortemperatur von etwa 450°C und einem Lambdawert von 1,00 wird hierbei praktisch kein Schwefel freigesetzt, so daß praktisch auch keine Schwefelemissionen, insbesondere keine H₂S-Emissionen, zu beobachten sind.
Wie bei dem herkömmlich betriebenen Kraftfahrzeug in 1 wird die Fahrgeschwindigkeit bei konstanter Beschleunigung allmählich erhöht, was wiederum mit einer entsprechenden Erhöhung der Abgas- und Katalysatortemperatur verbunden ist, ohne daß jedoch zunächst eine erhöhte Schwefelemission festzustellen ist.
Bei einer Fahrgeschwindigkeit von etwa 120 km/h und einer Katalysatortemperatur von etwa 580°C erfolgt erfindungsgemäß jedoch eine 1%-ige leichte Gemischanreicherung oder Anfettung, durch die der Lambdawert des Abgases innerhalb kurzer Zeit auf 0,99 abgesenkt wird, was mit weiter zunehmender Fahrgeschwindigkeit und Katalysatortemperatur zu einer merklichen Freisetzung des eingelagerten Schwefels in Form von Schwefeldioxid führt. Es ist daher ein allmählich ansteigender stark ausgeprägter SO₂-Emissionspeak mit einer entsprechenden Abnahme der Schwefelbeladung des NO_x-Speicherkatalysators festzustellen.
Nach der relativ schnellen Freisetzung des oberflächennah eingelagerten Schwefels wird auch der in tieferliegenden Washcoatzonen eingelagerte Schwefel allmählich in Schwefeldioxid umgewandelt und mit dem Abgas ausgeschieden. Da diese Entschwefelung der tieferen Katalysatorschichten jedoch deutlich langsamer als im oberflächennahen Bereich erfolgt, wird die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit mit steigender Katalysatortemperatur durch diese Geschwindigkeitsverringerung infolge des bereits erfolgten Schwefelaustrages überkompensiert, so daß die SO₂-Emission zunächst bis zum Erreichen eines Maximalwertes zunimmt, um dann trotz weiterer Zunahme der Katalysatortemperatur allmählich abzuklingen. Bei Beginn der anschließenden fahrzustandsbedingten Volllastanreicherung bei etwa 160 km/h ist somit bereits der größte Teil der eingelagerten Schwefelmenge in Form von Schwefeldioxid umgesetzt worden.
Durch die Volllastanreicherung steigen die Fahrgeschwindigkeit und die Katalysatortemperatur, wie in 1, wiederum auf ihre Maximalwerte ein, während der Lambdawert zunächst innerhalb kurzer Zeit auf 0,95 abgesenkt wird und dann konstant bleibt. Durch die Absenkung des Lambdawertes in Kombination mit dem Anstieg der Katalysatortemperatur wird der noch verbliebene restliche eingelagerte Schwefel in Form von Schwefelwasserstoff freigesetzt, während praktisch keine Schwefeldioxidemission mehr erfolgt. Da hierdurch jedoch nur noch der in tieferen Katalysatorschichten eingelagerte Schwefel betroffen ist, verläuft die Freisetzung des restlichen Schwefels nur relativ langsam, so daß infolge der nur noch geringen vorhandenen Schwefelmenge nur ein relativ breiter und niedriger H₂S-Emissionspeak mit einer deutlich geringeren Geruchsbelästigung als bei dem Beispiel nach dem Stand der Technik in 1 zu verzeichnen ist.
Die erfindungsgemäße Gemischanreicherung kann beladungsabhängig bzw. beladungs- und temperaturabhängig gesteuert werden. Bei der in 3 dargestellten beladungsabhängigen Steuerung werden über eine Kennfeldabfrage zunächst eine Roh-Lambdavorgabe und eine maximale Lambdaabweichung jeweils in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Einspritzmenge bestimmt. Zudem wird ebenfalls über eine Kennfeldabfrage in Abhängigkeit von der aktuell gespeicherten Schwefelmasse und der zu Beginn der Gemischanreicherung gespeicherten Schwefelmasse ein zwischen 0 und 1 liegender Bewertungsfaktor für die maximale Lambdaabweichung bestimmt, der mit zunehmender Schwefelbeladung ansteigt und bereits bei einer Schwefelbeladung von mehr als etwa 0,5 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen stets gleich 1 beträgt. Anschließend wird die ermittelte maximale Abweichung durch Multiplikation mit dem ermittelten Bewertungsfaktor korrigiert, wobei sich maximale Lambdaabweichungen von höchstens etwa –0,03 ergeben. Aus dieser korrigierten maximalen Lambdaabweichung und der ermittelten Roh-Lambdavorgabe wird nun schließlich additiv eine Soll-Lambdavorgabe zur Steuerung der Gemischanreicherung ermittelt. Mit steigenden Beladungswerten der Katalysatoreinrichtung ergibt sich hierbei eine zunehmend frühere Gemischanreicherung, wie dies in dem unteren Teildiagramm in 3 exemplarisch für eine Drehzahl dargestellt ist. Aufgetragen ist hierbei der Lambdawert in Abhängigkeit von der Einspritzmenge.
Bei der in 4 dargestellten beladungs- und temperaturabhängigen Steuerung der Gemischanreicherung wird zunächst die Temperaturdifferenz zwischen einer maximalen Solltemperatur von etwa 700°C und der Katalysatortemperatur oder gegebenenfalls auch einer sonstigen charakteristischen Temperatur der Abgasanlage oder kritischen Ist-Temperatur berechnet und über eine entsprechende Kennfeldabfrage in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturdifferenz ein erster Soll-Lambdawert bestimmt, der üblicherweise zwischen etwa 0,99 und 0,95 liegt.
Zudem wird über eine Kennfeldabfrage ein ebenfalls zwischen 0,99 und 0,95 liegender zweiter Soll-Lambdawert in Abhängigkeit von der aktuell gespeicherten Schwefelmasse und der Schwefelmasse zu Beginn der Gemischanreicherung bestimmt.
Schließlich wird noch über eine Kennfeldabfrage in Abhängigkeit von der aktuell gespeicherten Schwefelmasse und der Schwefelmasse zu Beginn der Gemischanreicherung eine schwefelabhängige Temperaturvorgabe oder Mindesttemperatur für die Katalysatoreinrichtung ermittelt, die in der Praxis zwischen etwa 500 und 650°C insbesondere jedoch zwischen etwa 550 und 580°C liegt.
Bei Überschreitung dieser Mindesttemperatur wird nun das Minimum des temperaturabhängigen ersten und des beladungsabhängigen zweiten Soll-Lambdawertes bestimmt und als einzustellender Soll-Lambdawert zur bedarfsgerechten Steuerung der Gemischanreicherung in Abhängigkeit von den Temperatur- und Beladungserfordernissen verwendet.
Gegebenenfalls kann aus dem so ermittelten Minimalwert und einem vorgebbaren Lambda-Minimalwert auch zunächst das Maximum bestimmt und als einzustellender Soll-Lambdawert zur Steuerung der Gemischanreicherung verwendet werden.
Gegebenenfalls können die angegebenen schwefelmassenabhängigen Kennfeldabfragen auch nur bezüglich der aktuell gespeicherten Schwefelmasse oder bezüglich der zu Beginn der Gemischanreicherung gespeicherten Schwefelmasse erfolgen.
Mit zunehmender Schwefelbeladung des NO_x-Speicherkatalysators erfolgt die Gemischanreicherung hierbei zunehmend früher, wie die in dem unteren Teildiagramm in 4 schematisch dargestellt ist, in dem der Lambdawert als Funktion der kritischen Ist-Temperatur dargestellt ist.

Claims

Verfahren Zur Durchführung des Schwefelaustrages aus einer einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine nachgeschalteten Katalysatoreinrichtung durch Anfetten, des Abgases der Brennkraftmaschine, wobei der Schwefelaustrag bei Überschreitung einer Mindesttemperatur und einer Mindestschwefelbeladung der Katalysatoreinrichtung in einem bestimmten Drehzahl-Last-Bereich des Brennkraftmaschinenkennfeldes eingeleitet wird, wobei – der Drehzahl-Last-Bereich unterhalb einer Schwelle liegt, bei der eine lastbedingte Gemischanreicherung auf Lambda < 1 erfolgt; – die Mindestschwefelbeladung unterhalb eines Schwefelbeladungsschwellenwertes liegt, der einer Höchstkatalysatordesaktivierung oder einer Mindestkatalysatoraktivität zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Abgasreinigung entspricht; – die Mindesttemperatur in Abhängigkeit von der Schwefelbeladung und/oder der Mindestschwefelbeladung bestimmt wird, wobei die Mindesttemperatur mit zunehmender Schwefelbeladung zu niedrigeren Werten hin verschoben wird; und – die Anfettung in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur und der Schwefelbeladung so gesteuert wird, daß im wesentlichen keine Schwefelwasserstoffemission erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine ohne Anfetten zur Durchführung des Schwefelaustrages im Homogenbetrieb bei einer Lambda-Sollvorgabe von 1,00 betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Brennkraftmaschine ein direkteinspritzender Ottomotor verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Katalysatoreinrichtung ein NO_x-Speicherkatalysator und/oder ein 3-Wege-Katalysator verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl und/oder die Last und/oder die Fahrgeschwindigkeit höchstens 80% des jeweiligen Maximalwertes betragen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl zumindest 3000 min^–1 und/oder der effektive Mitteldruck zumindest 5 bar beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestschwefelbeladung 0,1–1 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestschwefelbeladung 0,2–0,5 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindesttemperatur 500–650°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindesttemperatur 550–580°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfettung bei Überschreitung bestimmter Drehzahl- und/oder Lastschwellenwerte stufenweise erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas mit zunehmender Schwefelbeladung weniger stark angefettet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Anfettung ein Lambdawert zwischen 0,98 und 1,00 eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lambdawert zwischen 0,99 und 1,00 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man mit einer zeitlich gesteuerten oder geregelten variablen Lambdasollvorgabe arbeitet, wobei Lambda zumindest zeitweise Werte ≥ 1,00 annehmen kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Anfetten mittels eines beladungsabhängigen Soll-Lambdawertes gesteuert wird, für den gilt: Soll-Lambdawert = Roh-Lambdawert + maximale Lambdaabweichung, wobei der Roh-Lambdawert und die maximale Lambdaabweichung in Abhängigkeit von der Drehzahl und der Einspritzmenge bestimmt werden und wobei die so ermittelte maximale Lambdaabweichung multiplikativ mit einem Bewertungsfaktor korrigiert wird, der in Abhängigkeit von der aktuellen Schwefelbeladung und/oder der Schwefelbeladung zu Beginn der Anfettung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewertungsfaktor zwischen 0 und 1 liegt, wobei er bei einer Schwefelbeladung von mehr als 0,5 Gramm Schwefel pro Liter Katalysatorvolumen stets gleich 1 gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Bewertungsfaktor korrigierte maximale Lambdaabweichung maximal –0.03 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–15, dadurch gekennzeichnet, daß das Anfetten mittels eines beladungs- und temperaturabhängigen Lambdawertes gesteuert wird, der wie folgt bestimmt wird: – Bestimmung eines ersten Soll-Lambdawertes in Abhängigkeit von der Katalysatortemperatur; – Bestimmung eines zweiten Soll-Lambdawertes in Abhängigkeit von der aktuellen Schwefelbeladung und/oder der Schwefelbeladung zu Beginn der Anfettung; – Bestimmung einer Mindesttemperatur in Abhängigkeit von der aktuellen Schwefelbeladung und/oder der Schwefelbeladung zu Beginn der Anfettung; und – Bestimmung des Minimums des ersten und des zweiten Soll-Lambdawertes bei höheren Katalysatortemperaturen als die ermittelte Mindesttemperatur.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Soll-Lambdawert in Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz bestimmt wird, die gleich der Differenz zwischen einer maximalen Soll-Temperatur und der Katalysatortemperatur ist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Soll-Temperatur 700°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16–21, dadurch gekennzeichnet, daß die Abhängigkeiten von Drehzahl, Einspritzmenge, Schwefelbeladung und/oder Temperatur durch Kennfeldabfragen bestimmt werden.
Kraftfahrzeug mit: – einer magerlauffähigen Brennkraftmaschine; – einer der Brennkraftmaschine nachgeschalteten Katalysatoreinrichtung; – einer Einrichtung zur Bestimmung der Katalysatortemperatur; – einer Einrichtung zur Bestimmung der Schwefelbeladung der Katalysatoreinrichtung; und – einer der Brennkraftmaschine zugeordnete Steuerungseinrichtung, wobei die Steuerungseinrichtung so ausgelegt ist, daß die Brennkraftmaschine unterhalb eines oberen Teillast- oder Volllastbereiches, in dem eine lastbedingte Gemischanreicherung auf Lambda < 1 erfolgt, bei Überschreitung einer Mindesttemperatur und einer Mindestschwefelbeladung der Katalysatoreinrichtung in einem fetten Betriebsmodus umgeschaltet wird, und diesen bezüglich der Abgastemperatur und der Abgaszusammensetzung so steuert, daß im wesentlichen keine Schwefelwasserstoffemission erfolgt, wobei die Mindestschwefelbeladung unterhalb eines einer Höchstkatalysatordesaktivierung oder einer Mindestkatalysatoraktivität zur Gewährleistung einer ordnungsgemäßen Abgasreinigung entsprechenden Schwefelbeladungsschwellenwertes liegt, und daß die Steuerungseinrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung der Mindesttemperatur in Abhängigkeit von der Schwefelbeladung und/oder der Mindestschwefelbeladung, umfaßt derart, daß die Mindesttemperatur mit zunehmender Schwefelbeladung zu niedrigeren Werten hin verschoben wird.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine einen direkteinspritzenden Ottomotor umfaßt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Katalysatoreinrichtung einen NO_x-Speicherkatalysator und/oder einen 3-Wege-Katalysator umfaßt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 23–25, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Bestimmung der Katalysatortemperatur zumindest je einen der Katalysatoreinrichtung vor- bzw. nachgeschalteten Temperatursensor und/oder zumindest einen an der Katalysatoreinrichtung selbst angeordneten Temperatursensor umfaßt.