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EP1124050B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Desulfatisierung eines Stickoxidspeicherkatalysators - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Desulfatisierung eines Stickoxidspeicherkatalysators Download PDF

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Publication number
EP1124050B1
EP1124050B1 EP01101850A EP01101850A EP1124050B1 EP 1124050 B1 EP1124050 B1 EP 1124050B1 EP 01101850 A EP01101850 A EP 01101850A EP 01101850 A EP01101850 A EP 01101850A EP 1124050 B1 EP1124050 B1 EP 1124050B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
catalytic converter
storage catalytic
concentration
exhaust gas
storage
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.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01101850A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1124050A2 (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 preamble of the patent claim 1 mentioned.
  • the invention is based on EP-A-0 915 244, in which a method of operation an internal combustion engine for desulfating one in an emission control system arranged NOx storage catalyst by cyclically changing the air ratio is described, wherein the NOx emission in the combustion exhaust gas after a NOx storage catalyst continuously or intermittently measured and at the same time another value for a NOx concentration upstream of the NOx storage catalyst is determined and the quotient of the value of the NOx concentration before the NOx storage catalyst to the NOx measurement after the NOx storage catalyst is formed and this continuously with a first setpoint is compared, wherein falls below a first setpoint desulfation is initiated.
  • a disadvantage of the cited prior art is that the duration of desulfation is predetermined by a fixed time window. Due to the inexact termination criterion, d. H. Termination of desulfation after a predetermined period, desulphation usually takes longer than necessary for desulphation is. This means that even after the NOx storage catalyst already completely desulfated, the "fat" operation, d. H. Operation of the internal combustion engine with a fuel surplus, continues. This leads to considerable emission disadvantages, the fuel consumption of the internal combustion engine is increased and hydrocarbons leave the exhaust system unburned and pollute the environment. But also during the desulfurization occur hydrocarbon breakthroughs, which also leave the exhaust system unburned and pollute the environment unnecessarily. Furthermore, a subsequent to a Desulfatmaschinesphase Hydrogen sulfide emission can not be prevented.
  • Object of our invention is the hydrocarbon emission already during and to minimize after desulfating the NOx storage catalyst.
  • the basic idea of the invention is based on measurements which confirm that the sulfur dioxide concentration (SO 2 ) emitted by an NO x storage catalyst during desulfurization is indirectly detected with an NO x sensor. This effect is exploited to determine the degree of desulfation of a NO x storage catalyst. This determination is independent of the sulfur content in the fuel and of the aging of the NO x storage catalytic converter.
  • a demolition time for these is set by falling below a defined second setpoint representative of the SO 2 concentration in the combustion exhaust gas after the NO x storage catalyst during desulfation.
  • Advantageous for determining the degree of desulfurization of the NO x storage catalytic converter is the performance of a NO x measurement instead of a complex SO 2 concentration measurement in the combustion exhaust gas. The method set forth herein allows for demand desulfation 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 catalyst and the NO x concentration in the combustion exhaust gas upstream of the NO x storage catalyst.
  • the catalyst efficiency is determined.
  • the advantage of claim 8 is the elimination of a component when using an existing controller instead of a second NO x sensor to provide the NO x concentration in the combustion exhaust gas before the NO x storage catalytic converter.
  • 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.
  • the map values are determined by measurements on an internal combustion engine or calculated by means of combustion models in a computing unit in the control unit.
  • Advantageous according to claim 9 is the adaptation of changes in Internal combustion engine combustion process by simple software changes in the Control unit.
  • Positive according to claim 10 is the use of a combination sensor, which also measures O 2 in addition to NO x .
  • a combination sensor which also measures O 2 in addition to NO x .
  • the currently customary O 2 sensors (lambda probe for ⁇ measurement) for three-way catalysts can be replaced by a combination sensor.
  • Fig. 1 shows a controlled by an electronic control unit 1 multi-cylinder internal combustion engine 2, which is designed for lean engine operation.
  • the combustion exhaust gases are discharged through an exhaust system 3.
  • An arranged in the exhaust system 3 NO x storage catalyst 4 cleans the combustion exhaust gases of nitrogen oxides.
  • a second NO x sensor 6 is mounted in the Exhaust system 3 is arranged, which measures the NO x concentration in the combustion exhaust gas in front of the NO x storage catalytic converter 4. Both NO x sensors 5 and 6 are connected to the control unit 1.
  • the control unit 1 has a memory with setpoint values 27. By comparing the quotient with a first setpoint value, the internal combustion engine 2 is controlled such that the NO x storage catalytic converter 4 is protected from an inadmissibly high degree of sulfurization and desulfated as required.
  • the first setpoint value is dependent 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 representation essentially corresponds to the arrangement shown in FIG.
  • the only difference is that the second NO x sensor 6 is replaced by a memory with 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.
  • the NO x concentrations stored in the map before 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, corresponding to the current operating state are polled continuously before the NO x storage catalytic converter 4 of the internal combustion engine 2.
  • the quotient formation and the reference value comparison with the first reference value are carried out as in the first-mentioned basic structure.
  • Fig. 3 shows a further embodiment variant of the invention.
  • the representation essentially corresponds to the arrangement shown in FIG. The difference is that the second NO x sensor 6 is replaced by the arithmetic unit with a combustion model in the control unit 1.
  • This calculates the current NO x concentration in front of the NO x storage catalytic converter 4 in accordance with the operating state of the internal combustion engine 2.
  • the quotient formation and the setpoint comparison with the first desired value are carried out as in the first-mentioned basic structure.
  • the desulphation begins at about 55 seconds, the air ratio ⁇ 9 decreases.
  • the course of the temperature of the combustion exhaust gas 13 upstream of the NO x storage catalyst 4 increases faster than the course of the temperature of the combustion exhaust gas 11 in the NO x storage catalyst 4.
  • the sulfur dioxide emission 7 reaches a maximum after about 15 seconds, and falls then back to a low level.
  • the hydrogen sulfide emission 8 increases sharply. As shown in the problem, this is the time when desulfation must be stopped if no hydrogen sulphide is allowed to be emitted.
  • Fig. 5 shows a simultaneous measurement during a change desulfation. about the time axis in seconds are shown in FIG. 2, all previously measured values determined at the same measuring points. The Emissions are offset by measurement system-related signal propagation times the air ratio ⁇ 9 delayed by about 10 seconds.
  • Alternating desulfation 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 desulfation is about 50 seconds. It can be clearly seen in each rich phase, the increase in the sulfur dioxide emission 7, which indicates a sulfur discharge due to desulfation. In each lean phase an increased nitric oxide emission 10 can be seen. Part of the nitrogen oxide concentration 12 present in front of the NO x storage catalyst 4 passes through it.
  • the temperature profile of the combustion exhaust gas 11 in the NO x storage catalyst 4 shows higher values than the temperature curve 13 before about 120 seconds after the beginning of the measurement.
  • the common drop in sulfur dioxide 7 and nitrogen oxide emission 10 is noticeable from about 100 seconds. It can be seen that the measurement of the nitrogen oxide emission 10 is representative of the sulfur dioxide emissions 7. When the nitrogen oxide emission 10 becomes small, it can be concluded that the sulfur is largely decomposed from the NO x storage catalyst 4. If the nitrogen oxide emission 10 falls below a second desired value during desulfation, desulfation is stopped.
  • 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 the determination of the NO x concentration 17 in the combustion exhaust gas before the NO x storage catalyst 4.
  • the control unit 1 performs a quotient 18 of the NO x concentration in the combustion exhaust gas before the NO x storage catalyst 4 to the NO x emission. Subsequently, a setpoint comparison 19 between the quotient and a first setpoint value, which is read from the memory with setpoint values 19, is carried out.
  • the first setpoint value is dependent on the instantaneous operating point of the internal combustion engine 2.
  • control unit 1 checks the possibility of desulfation 20. If this is not feasible, the controller 1 continues to perform the setpoint comparison 19 with current quotients until the possibility of desulfation 20 is given. 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 characteristic map of the memory with characteristic map 28 , or corresponding to FIG. 3 from a NO x calculation of the arithmetic unit 29 with a combustion model in the control unit 1.
  • FIG. 7 shows a flowchart for the demand-ended termination of a change desulfation.
  • the internal combustion engine 2 is in the operating state change dysulfatation 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.
  • the 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 terminated before the formation of hydrogen sulfide.
  • the actual NO x concentration 23 in the combustion exhaust gas before the NO x storage catalyst 4 is determined.
  • the determination of the NO x concentration 23 is carried out 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 characteristic map of the memory with map 28, or according to FIG. 3 from a NO x calculation of the arithmetic unit 29 with a combustion model in the control unit 1.
  • Both NO x values (before and after the NO x storage catalytic converter 4) are available to the control unit 1.
  • the control unit 1 carries out a quotient formation 24 of the NO x concentration in the combustion exhaust gas upstream of the NO x storage catalytic converter 4 for the NO x emission and subsequently carries out a further setpoint comparison 25 with a second setpoint value from the memory with setpoint values 27.
  • the second set value likewise depends on the instantaneous operating point of the internal combustion engine 2. If the quotient does not exceed the second set value, the alternating desulfation 21 is continued. If the second setpoint value is exceeded, the control unit 1 ends the alternating desulfation 26.
  • the internal combustion engine can again be operated in lean engine operation.

Landscapes

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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.
Die Erfindung geht aus von der EP-A-0 915 244, in der ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine zur Desulfatisierung eines in einer Abgasreinigungsanlage angeordneten NOx-Speicherkatalysators durch zyklischen Wechsel des Luftverhältnisses beschrieben, ist wobei die NOx-Emission im Verbrennungsabgas nach einem NOx-Speicherkatalysator fortlaufend oder intermittierend gemessen und gleichzeitig ein weiterer Wert für eine NOx-Konzentration vor dem NOx-Speicherkatalysator ermittelt wird und der Quotient aus dem Wert der NOx-Konzentration vor dem NOx-Speicherkatalysator zu dem NOx-Messwert nach dem NOx-Speicherkatalysator gebildet wird und dieser mit einem ersten Sollwert fortlaufend verglichen wird, wobei bei Unterschreitung eines ersten Sollwertes eine Desulfatisierung eingeleitet wird.
Nachteilig an dem zitierten Stand der Technik ist, dass die Dauer der Desulfatisierung durch ein festes Zeitfenster vorgegeben ist. Aufgrund des unexakten Abbruchkriteriums, d. h. Abbruch der Desulfatisierung nach einer vorbestimmten Dauer, dauert die Desulfatisierung in der Regel länger als es für die Desulfatisierung notwendig ist. Dies bedeutet, dass auch nachdem der NOx-Speicherkatalysator bereits vollständig desulfatisiert ist, der "fette" Betrieb, d. h. Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Kraftstoffüberschuss, weiter andauert. Dies führt zu erheblichen Emissionsnachteilen, der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine wird erhöht und Kohlenwasserstoffe verlassen den Abgasstrang unverbrannt und belasten die Umwelt. Aber auch während der Desulfatisierung treten Kohlenwasserstoffdurchbrüche auf, die den Abgasstrang ebenfalls unverbrannt verlassen und die Umwelt unnötig belasten. Ferner kann eine sich an eine Desulfatisierungsphase anschließende Schwefelwasserstoffemission nicht verhindert werden.
Aufgabe unserer Erfindung ist es, die Kohlenwasserstoffemission bereits während und nach einer Desulfatisierung des NOx-Speicherkatalysators zu minimieren.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass während der Desulfatisierung in jeder Magerphase die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas nach dem NOx-Speicherkataiysator gemessen und gleichzeitig ein weiterer Wert für die NOx-Konzentration im Verbrennungsabgas vor dem NOx-Speicherkatalysator ermittelt wird, der Quotient aus dem Wert der NOx-Konzentration vor dem NOx-Speicherkatalysator zu dem NOx-Messwert nach dem NOx-Speicherkatalysator gebildet und dieser mit einem zweiten Sollwert fortlaufend verglichen wird, und dass bei Überschreitung des zweiten Sollwertes die Desulfatisierung gestoppt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Patentanspruch 6 werden alle o. g. Nachteile vermieden.
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 NO 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 von der Motorlast abhängigen Sollwert fortlaufend verglichen (19) wird,
      bei Unterschreitung des ersten Sollwertes (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 6 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 6 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 6 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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