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EP1124050A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Desulfatisierung eines Stickoxidspeicherkatalysators - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Desulfatisierung eines Stickoxidspeicherkatalysators Download PDF

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Publication number
EP1124050A2
EP1124050A2 EP01101850A EP01101850A EP1124050A2 EP 1124050 A2 EP1124050 A2 EP 1124050A2 EP 01101850 A EP01101850 A EP 01101850A EP 01101850 A EP01101850 A EP 01101850A EP 1124050 A2 EP1124050 A2 EP 1124050A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalytic converter
storage catalytic
exhaust gas
nox
value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP01101850A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1124050B1 (de
EP1124050A3 (de
Inventor
Stephan Ramatschi
Peter Müller
Stefan Detterbeck
Igor Milanovic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP1124050A2 publication Critical patent/EP1124050A2/de
Publication of EP1124050A3 publication Critical patent/EP1124050A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1124050B1 publication Critical patent/EP1124050B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F02D2200/08—Exhaust gas treatment apparatus parameters
    • F02D2200/0811—NOx storage efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method and a device according to the in the preamble of claim 1 Art.
  • Lean engine operation is one way of reducing the fuel consumption of internal combustion engines. This means that the internal combustion engine is not operated with a stoichiometric ratio of air and fuel, but with excess air. In this operating mode, the nitrogen oxide emissions (NO x ) cannot be reduced when a three-way catalytic converter is used today, so that the legally prescribed exhaust gas limit values cannot be met. For this reason, nitrogen oxide storage catalysts are used for exhaust gas aftertreatment in lean engine operation. These temporarily store the raw NO x emissions emitted by the internal combustion engine during engine lean operation. After some time, the internal combustion engine is operated in rich form in order to release the stored nitrogen oxides again and to convert them chemically into harmless substances. A rich engine operation is an engine operation with excess fuel.
  • a disadvantage of this solution is that the degree of desulfurization of the NO x storage catalyst cannot be determined during the desulfation. The result of this is an inaccurately determinable desulfation time, which leads to increased fuel consumption due to the long desulfation time and can accelerate the aging of the NO x catalyst.
  • the object is to present a method and a device for the desulfation of NO x storage catalysts which make it possible to carry out the desulfation in such a way that the degree of sulfurization of the NO x storage catalyst can also be determined during the desulfation and is only desulfated for as long as it is required to restore sufficient catalyst efficiency.
  • the desulfation should be carried out so that no hydrogen sulfide (H 2 S) is formed.
  • the basic idea of the invention is based on measurements which confirm that the sulfur dioxide concentration (SO 2 ) emitted by a NO x storage catalytic converter during the desulfation is indirectly detected with a NO x sensor. This effect is used to determine the degree of desulfurization of a NO x storage catalytic converter. This determination is independent of the sulfur content in the fuel and the aging of the NO x storage catalytic converter.
  • a termination point for this is determined by falling below a defined second target value.
  • the process described here allows desulfation to be tailored to the needs, regardless of the sulfur content of the fuel, derived directly from the NO x concentration in the combustion exhaust gas after the NO x storage catalytic converter and the NO x concentration in the combustion exhaust gas upstream of the NO x storage catalytic converter.
  • Advantageous according to claim 7 is the constant availability of the current NO x concentration in the combustion exhaust gas upstream of the NO x storage catalytic converter by a simple NO x measurement with a second NO x sensor, since by forming the quotient of the NO x concentration in the combustion exhaust gas upstream of the NO x storage catalyst for NO x emission after the NO x storage catalyst the catalyst efficiency is determined.
  • a map with the NO x concentration in the combustion exhaust gas is stored in front of the NO x storage catalytic converter for each operating point of the internal combustion engine in a memory.
  • the map values are determined by measurements on an internal combustion engine or are calculated in a control unit in the control unit using combustion models.
  • the advantage of claim 9 is the adjustment of changes in Combustion process of the internal combustion engine through simple software changes in the Control unit.
  • a positive aspect of claim 10 is the use of a combination sensor that measures O 2 in addition to NO x .
  • Fig. 1 shows a multi-cylinder internal combustion engine 2 controlled by an electronic control unit 1, which is designed for lean engine operation.
  • the combustion exhaust gases are discharged through an exhaust system 3.
  • a NO x storage catalytic converter 4 arranged in the exhaust system 3 cleans the combustion exhaust gases from nitrogen oxides.
  • a second NO x sensor 6 is located in front of the NO x storage catalytic converter 4
  • Exhaust system 3 is arranged, which measures the NO x concentration in the combustion exhaust gas upstream of the NO x storage catalytic converter 4. Both NO x sensors 5 and 6 are connected to control unit 1.
  • the control unit 1 has a memory with setpoints 27. By comparing the quotient with a first setpoint, the internal combustion engine 2 is controlled in such a way that the NO x storage catalytic converter 4 is protected against inadmissibly high sulfurization and is desulfated as required.
  • the first setpoint depends on the load currently requested by the internal combustion engine 2, corresponding to the current operating state.
  • FIG. 2 shows an embodiment variant of the invention.
  • the illustration essentially corresponds to the arrangement shown in FIG. 1.
  • the only difference is that the second NO x sensor 6 is replaced by a memory with a map 28.
  • the NO x concentrations in the combustion exhaust gas of the internal combustion engine 2 are stored in front of the NO x storage catalytic converter 4 in this characteristic diagram.
  • the NO x concentrations stored in the map in front of the NO x storage catalytic converter 4 are obtained either by measurements or by numerical simulations with combustion models.
  • the NO x concentrations stored in the map and corresponding to the current operating state are continuously queried in front of the NO x storage catalytic converter 4 of the internal combustion engine 2.
  • the formation of the quotient and the setpoint comparison with the first setpoint take place as in the principle structure mentioned first.
  • FIG. 3 shows a further embodiment variant of the invention.
  • the representation essentially corresponds to the arrangement shown in FIG. 1.
  • the difference is that the second NO x sensor 6 is replaced by the computing unit with a combustion model in control unit 1.
  • This calculates the current NO x concentration upstream of the NO x storage catalytic converter 4 in accordance with the operating state of the internal combustion engine 2.
  • the formation of the quotient and the comparison of the setpoint value with the first setpoint value are carried out as in the basic structure mentioned first.
  • FIG. 4 shows a time course of sulfur dioxide emissions 7, hydrogen sulfide emissions 8, air ratio ⁇ 9, nitrogen oxide emissions 10 measured after the NO x storage catalytic converter 4, temperatures of the combustion exhaust gas 11 measured in the NO x storage catalytic converter 4, the nitrogen oxide -Concentrations in the combustion exhaust gas 12 and temperatures of the combustion exhaust gas 13, measured in front of the NO x storage catalyst 4, during a continuous desulfation.
  • the values are measured on an intake manifold-injection 6-cylinder internal combustion engine at 3250 rpm. Desulphation is carried out exclusively by rich engine operation - no alternate desulphation.
  • the time course in seconds can be seen on the X-axis, the Y-axis shows the relative amplitude of the measured values.
  • Desulfation begins at about 55 seconds, the air ratio ⁇ 9 drops.
  • the course of the temperature of the combustion exhaust gas 13 in the flow direction upstream of the NO x storage catalytic converter 4 rises faster than the course of the temperature of the combustion exhaust gas 11 in the NO x storage catalytic converter 4.
  • the sulfur dioxide emission 7 reaches a maximum after about 15 seconds and falls then back down to a low level.
  • the hydrogen sulfide emission 8 rises sharply. As shown in the task, this is the time at which the desulfation must be stopped if no hydrogen sulfide is allowed to be emitted.
  • FIG. 5 shows a simultaneous measurement during an alternate desulfation.
  • about the time axis in seconds are, according to FIG. 2, all before mentioned measured values, determined at the same measuring points, plotted.
  • the Emissions are compared due to signal transit times caused by the measuring system the air ratio ⁇ 9 shifted about 10 seconds late.
  • the alternating desulphation is realized by alternately rich and lean engine operation, clearly recognizable by the nitrogen oxide emissions 10 and the air ratio ⁇ 9.
  • the beginning of the alternating desulphation is about 50 seconds.
  • the increase in sulfur dioxide emission 7, which indicates a sulfur discharge due to desulfation, is clearly recognizable in each rich phase.
  • An increased nitrogen oxide emission 10 can be seen in each lean phase.
  • a portion of the nitrogen oxide concentration 12 that is present upstream of the NO x storage catalytic converter 4 passes through this. From approximately 120 seconds after the start of the measurement, the temperature profile of the combustion exhaust gas 11 in the NO x storage catalyst 4 shows higher values than the temperature profile 13 before it.
  • the joint drop in sulfur dioxide 7 and nitrogen oxide emissions 10 is noticeable from about 100 seconds. It can be seen from this that the measurement of the nitrogen oxide emission 10 is representative of the sulfur dioxide emissions 7. If the nitrogen oxide emission 10 becomes small, it can be concluded that the sulfur has largely been broken down from the NO x storage catalytic converter 4. If the nitrogen oxide emission 10 falls below a second setpoint during a desulfation, the desulfation is terminated.
  • Fig. 6 shows a flow diagram for detection of a sulfur poisoning of the NO x storage catalytic converter 4.
  • the start 15 of the internal combustion engine 2 starts the measurement of the NO x emission 16 after the NO x storage catalytic converter 4 by the first NO x sensor 5 and simultaneously determining the NO x concentration in the combustion exhaust gas 17 upstream of the NO x storage catalytic converter 4.
  • the control device 1 executes a quotient formation 18 of the NO x concentration in the combustion exhaust gas upstream of the NO x storage catalytic converter 4 to the NO x emission.
  • a setpoint comparison 19 is then carried out between the quotient and a first setpoint, which is read from the memory with setpoints 19.
  • the first setpoint is dependent on the current operating point of the internal combustion engine 2.
  • control unit 1 checks the possibility of desulfurization 20. If this is not feasible, Control unit 1 continues to carry out setpoint comparison 19 using current quotients until there is the possibility of desulfurization 20. If the operating state of the internal combustion engine 2 permits the desulfation 21 to be carried out, it is started.
  • the determination of the NO x concentration 17 in the combustion exhaust gas upstream of the NO x storage catalytic converter 4 takes place according to the embodiment in FIG. 1 either from the sensor output signal of the second NO x sensor 6, or according to FIG. 2 from the map of the memory with map 28 , or corresponding to FIG. 3 from a NO x calculation of the computing unit 29 with a combustion model in the control unit 1.
  • the internal combustion engine 2 is in the operating state of alternating desulphation 21.
  • the first NO x sensor 5 measures the NO x emission 22 after the NO x storage catalytic converter 4 during a lean engine operation.
  • Lean engine operation lasts between one and thirty seconds, depending on the catalytic coating;
  • the rich engine operation also lasts between one and thirty seconds, depending on the catalytic coating and is stopped before the formation of hydrogen sulfide.
  • the current NO x concentration 23 in the combustion exhaust gas upstream of the NO x storage catalytic converter 4 is determined.
  • the NO x concentration 23 is determined either from the sensor output signal of the second NO x sensor 6, or according to FIG. 2 from the map of the memory with map 28, or corresponding to FIG. 3 from an NO x calculation of the computing unit 29 with a combustion model in the control unit 1.
  • control unit 1 carries out a quotient formation 24 from the NO x concentration in the combustion exhaust gas upstream of the NO x storage catalytic converter 4 to the NO x emission and then carries out a further setpoint comparison 25 with a second setpoint from the memory with setpoints 27.
  • the second setpoint also depends on the current operating point of the internal combustion engine 2. If the quotient does not exceed the second setpoint, the alternating desulphation 21 is continued. If the second setpoint is exceeded, control unit 1 ends the alternating desulphation 26.
  • the internal combustion engine can again be operated in lean engine operation.

Landscapes

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (2) zur Desulfatisierung eines in einer Abgasreinigungsanlage (3) angeordneten Stickoxidspeicherkatalysators (NOx-Speicherkatalysator) (4) durch zyklischen Wechsel des Luftverhältnisses λ. Durch Messung der NOx-Konzentration im Abgas mit einem ersten NOx-Sensor (5), der in Strömungsrichtung nach dem NOx-Speicherkatalysator (4) angeordnet ist, und Quotientenbildung des Sensorausgangsignals mit der NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas der Brennkraftmaschine (2) vor dem NOx-Speicherkatalysator (4), wird die Desulfatisierung von Schwefeldioxidverbindungen SOx im NOx-Speicherkatalysator (4) derart durchgeführt, dass auch während der Desulfatisierung der Verschwefelungsgrad des NOx-Speicherkatalysators festgestellt werden kann und nur so lang desulfatisiert wird, wie es zur Wiederherstellung eines ausreichenden Katalysatorwirkungsgrades erforderlich ist. Ausserdem wird die Desulfatisierung so durchgeführt, dass kein Schwefelwasserstoff (H2S) entsteht. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruch 1 genannten Art.
Eine Möglichkeit den Brennstoffverbrauch von Brennkraftmaschinen zu reduzieren ist der magere Motorbetrieb. Dies bedeutet, die Brennkraftmaschine wird nicht mit einem stöchiometrischen Verhältnis von Luft und Brennstoff betrieben, sondern mit Luftüberschuß. Bei dieser Betriebsart können die Stickoxid-Emissionen (NOx) bei Verwendung eines heute üblichen Dreiwegekatalysator nicht reduziert werden, sodass die gesetzlich vorgegebenen Abgasgrenzwerte nicht einhaltbar sind. Aus diesem Grund werden zur Abgasnachbehandlung bei magerem Motorbetrieb Stickoxidspeicherkatalysatoren eingesetzt. Diese speichern die von der Brennkraftmaschine emittierten NOx-Rohemissionen während des Motormagerbetriebs zwischen. Nach einiger Zeit wird die Brennkraftmaschine fett betrieben, um die gespeicherten Stickoxide wieder frei zu setzen und chemisch in unschädliche Stoffe umzuwandeln. Als fetter Motorbetrieb wird ein Motorbetrieb mit Brennstoffüberschuß bezeichnet.
Heute üblicherweise verwendete Brennstoffe und Motorschmiermittel beinhalten neben den gewünschten Kohlenwasserstoffketten auch nicht erwünschte Bestandteile. Hierzu zählt neben anderen der Schwefel und dessen chemischen Verbindungen. Beim Motorbetrieb wird Schwefel in Form von Schwefeldioxid (SO2) von der Brennkraftmaschine ausgestoßen. Problematisch für die neuen Beschichtungen von NOx-Speicherkatalysatoren ist deren Anfälligkeit für eine Schwefelvergiftung durch Sulfatbildung in und auf dem Katalysatormaterial. Als Folge der Schwefelvergiftung nimmt die Speicherkapazität des NOx-Speicherkatalysators für Stickoxide bis zur Unwirksamkeit ab.
In der DE 198 59 462 A1 wird ein Verfahren zur Desulfatisierung und eine entsprechende Vorrichtung dafür vorgeschlagen. Zur Verwendung kommen hier Sauerstoffsensoren (O2), mit denen die Katalysatoreffizienz ermittelt wird. Für den Fall einer notwendigen Desulfatisierung wird die Katalysatortemperatur erhöht und der Motor anschließend mit fest vorgegebenen Zeitintervallen abwechselnd fett und mager -Wechseldesulfatisierung- betrieben bis die Desulfatisierung abgeschlossen ist.
Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Grad der Entschwefelung des NOx-Speicherkatalysators während der Desulfatisierung nicht ermittelt werden kann. Folge hieraus ist eine ungenau bestimmbare Desulfatisierungsdauer, die zu erhöhtem Brennstoffverbrauch aufgrund zu langer Desulfatisierungsdauer führt und die Alterung des NOx-Katalysators beschleunigen kann.
Aufgabe ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Desulfatisierung von NOx-Speicherkatalysatoren darzustellen, die es ermöglichen, die Desulfatisierung derart durchzuführen, dass der Verschwefelungsgrad des NOx-Speicherkatalysators auch während der Desulfatisierung festgestellt werden kann und nur so lang desulfatisiert wird, wie es zur Wiederherstellung eines ausreichenden Katalysatorwirkungsgrades erforderlich ist. Ausserdem soll die Desulfatisierung so durchgeführt werden, dass kein Schwefelwasserstoff (H2S) entsteht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß verfahrensmäßig durch die Merkmale von Patentanspruch 1 und vorrichtungsmäßig durch die Merkmale von Patentanspruch 6 gelöst.
Dem Grundgedanken der Erfindung liegen Messungen zugrunde, die bestätigen, dass mit einem NOx-Sensor indirekt die von einem NOx-Speicherkatalysator während der Desulfatisierung emittierten Schwefeldioxidkonzentation (SO2) nachgewiesen werden. Dieser Effekt wird ausgenutzt, um den Grad der Desulfatisierung eines NOx-Speicherkatalysators zu bestimmen. Diese Bestimmung ist unabhängig vom Schwefelgehalt im Brennstoff und von der Alterung des NOx-Speicherkatalysators.
Durch Messung der NOx-Emission in Strömungsrichtung nach dem NOx-Speicherkatalysator wird, stellvertretend für die SO2-Konzentation im Verbrennungsabgas nach dem NOx-Speicherkatalysator, während einer Desulfatisierung ein Abbruchzeitpunkt für diese durch Unterschreiten eines definierten zweiten Sollwertes festgelegt. Vorteilhaft zur Bestimmung des Desulfatisierungsgrades des NOx-Speicherkatalysators ist die Durchführung einer NOx-Messung anstelle einer aufwendigen SO2-Konzentrationsmessung im Verbrennungsabgas. Das hier dargelegte Verfahren gestattet eine bedarfsgerechte Desulfatisierung, unabhängig vom Schwefelgehalt des Brennstoffs, direkt abgeleitet aus der NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas nach dem NOx-Speicherkatalysator und der NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator. Dies führt , neben dem Motormagerbetrieb, zu weiterer Brennstoffersparnis, da die Desulfatisierung nur so lang, wie es bis zur Wiederherstellung der notwendigen NOx-Katalysatoreffizenz notwendig ist, durchgeführt wird. Hieraus leitet sich wiederum vorteilhaft eine längere Katalysatorlebensdauer ab, da sowohl eine übermäßige Verschwefelung als auch ein zu langer Betrieb mit Temperaturerhöhung im NOx-Speicherkatalysator vermieden wird. Die Temperaturerhöhung kommt unter anderem durch eine exotherme Reaktion aufgrund der fetten Motorbetriebsphasen im NOx-Speicherkatalysator zustande. Sie unterstützt zusätzlich den Schwefel-Abbau. Zusätzlich wird eine gleichbleibend hohe NOx-Umsetzungsrate des Speicherkatalysators über seine gesamte Lebensdauer realisiert.
Vorteilhaft nach Anspruch 7 ist die ständige Verfügbarkeit der aktuellen NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator durch eine einfache NOx-Messung mit einem zweiten NOx-Sensor, da durch Quotientenbildung von NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator zur NOx-Emission nach dem NOx-Speicherkatalysator die Katalysatoreffizienz bestimmt wird.
Vorteilhaft nach Anspruch 8 ist der Entfall eines Bauteiles bei Verwendung eines vorhandenen Steuergeräts anstelle eines zweiten NOx-Sensors zur Bereitstellung der NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator. In einem Speicher ist ein Kennfeld mit der NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator für jeden Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abgelegt. Die Kennfeldwerte werden durch Messungen an einer Brennkraftmaschine ermittelt oder mit Hilfe von Verbrennungsmodellen in einer Recheneinheit in dem Steuergerät berechnet.
Vorteilhaft nach Anspruch 9 ist die Anpassung von Veränderungen im Brennverfahren der Brennkraftmaschine durch einfache Softwareänderungen im Steuergerät.
Positiv nach Anspruch 10 ist der Einsatz eines Kombinationssenors, der neben NOx auch O2 misst. Dies bedeutet, dass für den Magerbetrieb die heute üblichen O2-Sensoren (Lambda-Sonde für λ-Messung) für Dreiwegekatalysatoren durch einen Kombinationssensor ersetzbar sind.
Weitere Einzelheiten eines bevorzugten Ausführungsbeispieles sind aus den sieben beigelegten Zeichnungen zu entnehmen. Es stellen im Einzelnen dar:
  • Fig. 1: Prinzipaufbau zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zur Desulfatisierung eines Stickoxidspeicherkatalysators
  • Fig. 2: weitere Ausbildungsvariante von Fig. 1
  • Fig. 3: weitere Ausbildungsvariante von Fig. 1
  • Fig. 4: Zeitlicher Verlauf von Schwefeldioxid- und Schwefelwasserstoffemission während einer kontinuierlichen Desulfatisierung
  • Fig. 5: Zeitlicher Verlauf von Schwefeldioxid- und Stickoxid-Emission während einer Wechseldesulfatisierung
  • Fig. 6: Flußdiagramm zur Erkennung einer Schwefelvergiftung
  • Fig. 7: Flußdiagramm zur bedarfsgerechten Beendung einer Wechseldesulfatisierung
    • Fig. 1 zeigt eine von einem elektronischen Steuergerät 1 gesteuerte mehrzylindrige Brennkraftmaschine 2, die für mageren Motorbetrieb ausgelegt ist. Die Verbrennungsabgase werden durch eine Abgasanlage 3 abgeleitet. Ein in der Abgasanlage 3 angeordneter NOx-Speicherkatalysator 4 reinigt die Verbrennungsabgase von Stickoxiden. Ein erster NOx-Sensor 5, in Strömungsrichtung hinter dem NOx-Speicherkatalysator 4 angeordnet, misst die NOx-Emission nach dem NOx-Speicherkatalysator 4. Vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 ist ein zweiter NOx-Sensor 6 in die Abgasanlage 3 angeordnet, der die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 misst. Beide NOx-Sensoren 5 und 6 sind mit dem Steuergerät 1 verbunden. Durch Quotientenbildung der NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 zur NOx-Emission nach dem NOx-Speicherkatalysator 4 werden von dem Steuergerät 1 die Katalysatoreffizienz, bzw. seine Beladung mit Schwefelverbindungen ermittelt. Das Steuergerät 1 verfügt über einen Speicher mit Sollwerten 27. Durch Vergleich des Quotienten mit einem ersten Sollwert wird die Brennkraftmaschine 2 derart gesteuert, dass der NOx-Speicherkatalysator 4 vor einer unzulässig starken Verschwefelung geschützt und bedarfsgerecht desulfatisiert wird. Der erste Sollwert ist abhängig von der aktuell von der Brennkraftmaschine 2 angeforderten Last, entsprechend dem aktuellen Betriebszustand.
    Fig. 2 zeigt eine Ausgestaltungsvariante der Erfindung. Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Anordnung. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der zweite NOx-Sensor 6 durch einen Speicher mit Kennfeld 28 ersetzt ist. In diesem Kennfeld sind die NOx-Konzentrationen im Verbrennungsabgas der Brennkraftmaschine 2 vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 abgelegt. Die im Kennfeld abgelegten NOx-Konzentrationen vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 werden entweder durch Messungen oder durch numerische Simulationen mit Verbrennungsmodellen erhalten. Anstelle der Messung mit dem zweiten NOx-Sensor 6 werden ständig die im Kennfeld abgelegten, dem aktuellen Betriebszustand entsprechenden NOx- Konzentrationen vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 der Brennkraftmaschine 2, abgefragt. Die Quotientenbildung und der Sollwertvergleich mit dem ersten Sollwert erfolgen wie in dem zuerst genannten Prinzipaufbau.
    Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante der Erfindung. Die Darstellung entspricht im Wesentlichen der in Fig. 1 dargestellten Anordnung. Der Unterschied besteht darin, dass der zweite NOx-Sensor 6 durch die Recheneinheit mit einem Verbrennungsmodell im Steuergerät 1 ersetzt ist. Dieses berechnet die aktuelle NOx-Konzentration vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 entsprechend dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2. Die Quotientenbildung und der Sollwertvergleich mit dem ersten Sollwert erfolgen wie in dem zuerst genannten Prinzipaufbau.
    Fig. 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf von Schwefeldioxid-Emissionen 7, Schwefelwasserstoff-Emissionen 8, Luftverhältnis λ 9, Stickoxid-Emissionen 10 gemessen nach dem NOx-Speicherkatalysator 4, Temperaturen des Verbrennungsabgases 11 gemessen in dem NOx-Speicherkatalysator 4, die Stickoxid-Konzentrationen im Verbrennungsabgas 12 und Temperaturen des Verbrennungsabgases 13, gemessen vor dem NOx-Speicherkatalysator 4, während einer kontinuierlichen Desulfatisierung. Gemessen sind die Werte an einer saugrohreinspritzenden 6-zylindrigen Brennkraftmaschine bei 3250 1/min. Die Desulfatisierung wird ausschließlich durch fetten Motorbetrieb - keine Wechseldesulfatisierung - durchgeführt. Auf der X-Achse ist der Zeitverlauf in Sekunden ersichtlich, die Y-Achse zeigt die relative Amplitude der Messwerte. Die Desulfatisierung beginnt bei etwa 55 Sekunden, das Luftverhältnis λ 9 sinkt. Der Verlauf der Temperatur des Verbrennungsabgases 13 in Strömungsrichtung vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 steigt schneller an als der Verlauf der Temperatur des Verbrennungsabgases 11 in dem NOx-Speicherkatalysator 4. Die Schwefeldioxid-Emission 7 erreicht nach etwa 15 Sekunden ein Maximum, und fällt dann wieder auf ein niedriges Niveau ab. Wenige Sekunden später steigt die Schwefelwasserstoff-Emission 8 stark an. Wie in der Aufgabe dargestellt ist dies der Zeitpunkt zu dem die Desulfatisierung abgebrochen werden muß, wenn kein Schwefelwasserstoff emittiert werden darf.
    Fig. 5. zeigt eine Simultanmessung während einer Wechseldesulfatisierung. Über der Zeitachse in Sekunden sind entsprechend der Fig. 2, sämtliche zuvor genannten Messwerte, ermittelt an den selben Messstellen, aufgetragen. Die Emissionen sind aufgrund von messsystembedingten Signallaufzeiten gegenüber dem Luftverhältnis λ 9 um ca. 10 Sekunden nach spät verschoben.
    Die Wechseldesulfatisierung wird durch abwechselnd fetten und mageren Motorbetrieb realisiert, gut erkennbar an den Stickoxid-Emissionen 10 und dem Luftverhältnis λ 9. Der Beginn der Wechseldesulfatisierung liegt bei etwa 50 Sekunden. Deutlich erkennbar ist in jeder fetten Phase das Ansteigen der Schwefeldioxid-Emission 7, die auf einen Schwefelaustrag aufgrund der Desulfatisierung hinweist. In jeder mageren Phase ist eine erhöhte Stickoxid-Emission 10 erkennbar. Ein Teil der Stickoxid-Konzentration 12 die vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 vorhanden ist, passiert diesen. Der Temperaturverlauf des Verbrennungsabgases 11 in dem NOx-Speicherkatalysator 4 zeigt ab ca. 120 Sekunden nach Messbeginn höhere Werte als der Temperaturverlauf 13 vor diesem. Bei Betrachtung der Einhüllenden 14 und 14' der Verläufe von Schwefeldioxid- 7 und Stickoxid-Emission 10 fällt der gemeinsame Abfall der Schwefeldioxid- 7 und Stickoxid-Emission 10 ab etwa 100 Sekunden auf. Hieraus ist ersichtlich, dass die Messung der Stickoxid-Emission 10 repräsentativ für die Schwefeldioxid-Emissionen 7 ist. Wenn die Stickoxid-Emission 10 klein wird, kann daraus gefolgert werden, dass der Schwefel weitestgehend aus dem NOx-Speicherkatalysator 4 abgebaut ist. Unterschreitet die Stickoxid-Emission 10 während einer Desulfatisierung einen zweiten Sollwert, wird die Desulfatisierung abgebrochen.
    Fig. 6 zeigt ein Flussdiagramm zur Erkennung einer Schwefelvergiftung des NOx-Speicherkatalysators 4. Mit dem Starten 15 der Brennkraftmaschine 2 beginnt die Messung der NOx-Emission 16 nach dem NOx-Speicherkatalysator 4 durch den ersten NOx-Sensor 5 und gleichzeitig die Bestimmung der NOx-Konzentration 17 im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator 4. Das Steuergerät 1 führt eine Quotientenbildung 18 der NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 zu der NOx-Emission durch. Anschließend wird ein Sollwertvergleich 19 zwischen dem Quotienten und einem ersten Sollwert, der aus dem Speicher mit Sollwerten 19 ausgelesen wird, durchgeführt. Der erste Sollwert ist abhängig von dem momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 2. Bei Nichtunterschreitung des ersten Sollwertes werden die Schritte 16, 17 und 18 unverändert weiter geführt, bei Unterschreitung des ersten Sollwertes überprüft das Steuergerät 1 die Möglichkeit einer Desulfatisierung 20. Ist diese nicht durchführbar, führt das Steuergerät 1 weiterhin den Sollwertvergleich 19 mit aktuellen Quotienten durch, bis die Möglichkeit einer Desulfatisierung 20 gegeben ist. Erlaubt der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 die Durchführung der Desulfatisierung 21, so wird diese gestartet.
    Die Bestimmung der NOx-Konzentration 17 im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 erfolgt gemäß der Ausführung in Fig. 1 entweder aus dem Sensorausgangssignal des zweiten NOx-Sensors 6, oder gemäß Fig. 2 aus dem Kennfeld des Speichers mit Kennfeld 28, oder entsprechend Fig. 3 aus einer NOx-Berechnung der Recheneinheit 29 mit einem Verbrennungsmodell im Steuergerät 1.
    Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm für die bedarfsgerechte Beendung einer Wechseldesulfatisierung. Die Brennkraftmaschine 2 befindet sich im Betriebszustand Wechseldesulfatisierung 21. Der erste NOx-Sensor 5 misst die NOx-Emission 22 nach dem NOx-Speicherkatalysator 4 während eines mageren Motorbetriebs. Der magere Motorbetrieb dauert zwischen einer und dreißig Sekunden, abhängig von der katalytischen Beschichtung; der fette Motorbetrieb dauert ebenfalls zwischen einer und dreißig Sekunden, abhängig von der katalytischen Beschichtung und wird vor Eintritt der Bildung von Schwefelwasserstoff beendet. Gleichzeitig wird die aktuelle NOx-Konzentration 23 im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 bestimmt.
    Die Bestimmung der NOx-Konzentration 23 erfolgt gemäß der Ausführung in Fig. 1 entweder aus dem Sensorausgangssignal des zweiten NOx-Sensors 6, oder gemäß Fig. 2 aus dem Kennfeld des Speichers mit Kennfeld 28, oder entsprechend Fig. 3 aus einer NOx-Berechnung der Recheneinheit 29 mit einem Verbrennungsmodell im Steuergerät 1.
    Beide NOx-Werte (vor und nach dem NOx-Speicherkatalysator 4 ) stehen dem Steuergerät 1 zur Verfügung. Das Steuergerät 1 führt eine Quotientenbildung 24 aus der NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator 4 zu der NOx-Emission durch und führt anschließend einen weiteren Sollwertvergleich 25 mit einem zweiten Sollwert aus dem Speicher mit Sollwerten 27 durch. Der zweite Sollwert hängt ebenfalls von dem momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine 2 ab. Überschreitet der Quotient den zweiten Sollwert nicht, wird die Wechseldesulfatisierung 21 weiter geführt. Bei Überschreitung des zweiten Sollwertes beendet das Steuergerät 1 die Wechseldesulfatisierung 26. Die Brennkraftmaschine kann wieder im mageren Motorbetrieb betrieben werden.
    Bezugszeichenliste:
    1.
    Steuergerät
    2.
    Brennkraftmaschine
    3.
    Abgasanlage
    4.
    NOx-Speicherkatalysator
    5.
    erster NOx-Sensor
    6.
    zweiter NOx-Sensor
    7.
    Schwefeldioxid-Emission
    8.
    Schwefelwasserstoff-Emission
    9.
    Luftverhältnis λ
    10.
    Stickoxid-Emission
    11.
    Temperatur des Verbrennungsabgases im NOx-Speicherkatalysator
    12.
    Stickoxid-Konzentration im Verbrennungsabgas vor NOx-Speicherkatalysator
    13.
    Temperatur des Verbrennungsabgases vor NOx-Speicherkatalysator
    14, 14
    Einhüllende der Emissionen von Schwefeldioxid und Stickoxiden
    15.
    Starten der Brennkraftmaschine
    16.
    Messung der NOx-Emission
    17.
    Bestimmung der NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor NOx-Speicherkatalysator
    18
    Quotientenbildung
    19.
    Sollwertvergleich
    20.
    Möglichkeit einer Desulfatisierung
    21.
    Durchführung der Desulfatisierung
    22.
    Messung der NOx-Emission
    23.
    Bestimmung der NOx- Konzentration im Verbrennungsabgas vor NOx-Speicherkatalysator
    24.
    Quotientenbildung
    25.
    Sollwertvergleich
    26.
    Beenden der Desulfatisierung
    27.
    Speicher mit Sollwerten
    28.
    Speicher mit Kennfeld
    29.
    Recheneinheit

    Claims (10)

    1. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zur Desulfatisierung eines in einer Abgasreinigungsanlage angeordneten NOx-Speicherkatalysators durch zyklischen Wechsel des Luftverhältnisses dadurch gekennzeichnet, dass
      die NOx-Emission im Verbrennungsabgas nach einem NOx-Speicherkatalysator fortlaufend oder intermittierend gemessen (16) und gleichzeitig ein weiterer Wert für eine NOx-Konzentration vor dem NOx-Speicherkatalysator ermittelt (17) wird,
      der Quotient aus dem Wert der NOx-Konzentration vor dem NOx-Speicherkatalysator zu dem NOx-Messwert nach dem NOx-Speicherkatalysator gebildet (18) und dieser mit einem ersten Sollwert fortlaufend verglichen (19) wird,
      bei Unterschreitung des ersten Sollwertes in Abhängigkeit von der Motorlast (20) eine Desulfatisierung eingeleitet (21) wird,
      während der Desulfatisierung (21) in jeder Magerphase die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas nach dem NOx-Speicherkatalysator gemessen (22) und gleichzeitig ein weiterer Wert für die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator ermittelt (23) wird,
      der Quotient aus dem Wert der NOx-Konzentration vor dem NOx-Speicherkatalysator zu dem NOx-Messwert nach dem NOx-Speicherkatalysator gebildet (24) und dieser mit einem zweiten Sollwert fortlaufend verglichen (25) wird,
      bei Überschreitung des zweiten Sollwertes die Desulfatisierung gestoppt (26) wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte aus einem Speicher mit Sollwerten (27) ausgelesen werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator (4) gemessen wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator (4) aus einem Speicher mit Kennfeld (28) ausgelesen wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator (4) mit einem Verbrennungsmodell von einer Recheneinheit (29) berechnet wird.
    6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein NOx-Sensor (5) in Strömungsrichtung nach einem NOx-Speicherkatalysator (4) angeordnet und mit einem Steuergerät (1) verbunden ist, mit dem die Desulfatisierung des NOx-Speicherkatalysators (4) in Abhängigkeit von dem NOx-Sensorausgangssignal und einem weiteren Wert für die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator (4) durchführbar ist.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer NOx-Sensor (6) vor dem NOx-Speicherkatalysator (4) angeordnet und mit dem Steuergerät (1) verbunden ist
    8. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator (4) in einem Speicher mit Kennfeld (28) abgelegt und von dem Steuergerät (1) auslesbar ist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator (4) von einer Recheneinheit (29) in dem Steuergerät (1) mit Hilfe eines Verbrennungsmodells berechenbar ist.
    10. Vorrichtung nach einem der zuvor genannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der NOx-Sensor (5) mit einem Sauerstoffsensor in einem gemeinsamen Gehäuse kombinierbar ist.
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