DE10059791A1

DE10059791A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entschwefelung eines Vorkatalysators

Info

Publication number: DE10059791A1
Application number: DE10059791A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Martina Gottschling; Matthias Holz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: FR2817590A1; FR2817590B1; DE10059791B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine angeordneten Vorkatalysators, dem ein Hauptkatalysator, insbesondere ein NO¶x¶-Speicherkatalysator, nachgeschaltet ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung der Entschwefelung des Vorkatalysators. DOLLAR A Es ist vorgesehen, in wiederkehrenden Abständen in den Vorkatalysator (16) eingelagerten Schwefel zumindest teilweise in einer Form auszutreiben, die unter vorliegenden Betriebsbedingungen den Hauptkatalysator (18) zu mindestens 25% passiert. Vorzugsweise wird der Schwefel überwiegend in Form von Schwefelwasserstoff (H¶2¶S) ausgetrieben, während der Hauptkatalysator (18) weitgehend sauerstofffrei ist. Auf diese Weise wird eine Verschwefelung des Hauptkatalysators (18) verlangsamt, so dass kraftstoffzehrende Entschwefelungsmaßnahmen des Hauptkatalysators (18) seltener notwendig werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entschwefelung eines Vorkatalysators von Verbrennungskraftmaschinen mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1, 5 und 18 genannten Merkmalen.

Bekannte, zur Abgasreinigung eingesetzte Katalysatorsysteme bestehen häufig aus einem motornah angeordneten, kleinvolumigen Vorkatalysator und einem in einem Abgasweg weiter stromab angeordneten, größeren Hauptkatalysator. Die Katalysatorkomponenten können dabei als Oxidationskatalysatoren zur Konvertierung von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO ausgestaltet sein, als Reduktionskatalysatoren zur Reduzierung von Stickoxiden NO_x oder als 3-Wege- Katalysatoren, welche die genannten oxidativen und reduktiven Konvertierungen gleichzeitig fördern. Im Falle magerlauffähiger Verbrennungskraftmaschinen kann der Hauptkatalysator zusätzlich mit einer NO_x-Speicherkomponente ausgestattet sein, der in mageren Betriebsphasen, in denen die Verbrennungskraftmaschine mit einem sauerstoffreichen Luft-Kraftstoff-Gemisch mit λ < 1 beaufschlagt wird, einen Überschuss an Stickoxiden NO_x einspeichert, um diese in fetten Betriebsintervallen wieder freizusetzen und zu reduzieren. Derartige Katalysatoren werden auch als NO_x- Speicherkatalysatoren bezeichnet.

Ein in der Abgasreinigung bekanntes Problem stellt in Kraftstoffen enthaltener Schwefel dar, der im Verbrennungsprozess nahezu vollständig zu Schwefeldioxid SO₂ verbrannt wird und sich in unterschiedlichen Formen an den verschiedenen Komponenten des Katalysatorsystems einlagert. Dieses Problem betrifft am stärksten die NO_x- Speicherkomponenten von NO_x-Speicherkatalysatoren, die SO₂ bei mageren Verbrennungslambdas mit einem nahezu 100%igen Einlagerungswirkungsgrad in Form von Sulfat SO^2- ₄ speichern. Die Folge ist eine schleichende Desaktivierung der NO_x- Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators (Schwefelvergiftung), welche zur Entwicklung verschiedener Entschwefelungsverfahren für NO_x-Speicherkatalysatoren geführt hat. Dabei wird grundsätzlich der Katalysator bei Katalysatortemperaturen von mindestens 650°C mit einer fetten Abgasatmosphäre beaufschlagt, um das eingespeicherte Sulfat zu desorbieren und hauptsächlich zu SO₂ zu reduzieren.

Neben der Verschwefelung von NO_x-Speicherkomponenten kommt es - allerdings in viel geringerem Ausmaß - auch zu einer Einlagerung von Schwefel in andere Komponenten des Katalysatorsystems. Dieses sind im Wesentlichen Edelmetalle (Pt, Pd, Ru) der katalytischen Beschichtungen sowie Sauerstoff-speichernde Komponenten OSC (oxygen storage components). Bei Katalysatortemperaturen, die oberhalb einer Komponenten-spezifischen Desorptionstemperatur liegen (etwa 400 bis 450°C bei OSC und etwa 500°C bei Edelmetallen), und unter einer fetten Abgasatmosphäre kann der eingelagerte Schwefel wieder ausgetrieben werden. Nachteilig hieran ist, dass der aus dem Vorkatalysator freigesetzte Schwefel zum Teil von dem nachgeschalteten Hauptkatalysator eingelagert wird. Handelt es sich dabei um einen NO_x- Speicherkatalysator, erfolgt die Einlagerung praktisch vollständig. Die Folge ist eine häufige Entschwefelungsnotwendigkeit des Hauptkatalysators und ein hierdurch verursachter hoher Kraftstoffmehrverbrauch.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entschwefelung eines Vorkatalysators zur Verfügung zu stellen, das zu einer möglichst geringen Verschwefelung eines nachgeschalteten Hauptkatalysators führt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in geeigneten wiederkehrenden Abständen in den Vorkatalysator eingelagerter Schwefel überwiegend in einer Form ausgetrieben wird, die unter vorliegenden Betriebsbedingungen geeignet ist, den Hauptkatalysator zu mindestens 25%, vorzugsweise zu mindestens 50%, zu passieren. Dabei wird der eingelagerte Schwefel vorzugsweise zumindest teilweise in Form von Schwefelwasserstoff H₂S ausgetrieben, während der Hauptkatalysator zumindest weitgehend sauerstofffrei ist.

Nach einem besonders vorteilhaften Verfahren wird bei einem zumindest zeitweisen Vorliegen einer Temperatur des Vorkatalysators, die größer oder gleich einer Schwefel- Desorptionstemperatur des Vorkatalysators ist,

a) in einer ersten Phase die Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten fetten Verbrennungslambda so lange beaufschlagt, bis ein Sauerstoffspeicher des Hauptkatalysators zumindest weitgehend sauerstofffrei ist, und
b) in einer anschließenden zweiten Phase das Verbrennungslambda der Verbrennungskraftmaschine auf ein zweites fettes Verbrennungslambda, das größer als das erste fette Verbrennungslambda und kleiner eins ist, angehoben.

Die Erfindung macht sich den Umstand zunutze, dass H₂S nur in Gegenwart von Sauerstoff in nennenswertem Umfang in die Sauerstoff-speichernden Komponenten (OSC) und/oder den NO_x-Speicher des Hauptkatalysators eingespeichert werden kann, da die Speicherung zunächst die Oxidation von H₂S erfordert. Daher wird in der ersten Phase Sauerstoff aus dem gesamten Katalysatorsystem, insbesondere aus dem Sauerstoffspeicher des Hauptkatalysators, weitgehend entfernt. Eine Sauerstoffspeicherkapazität des Hauptkatalysators sollte danach höchstens zu 20%, vorzugsweise zu weniger als 10%, belegt sein. Vorteilhafterweise wird in der ersten Phase das Verbrennungslambda möglichst niedrig, das heißt möglichst sauerstoffarm, gewählt. Dabei haben sich insbesondere Lambdawerte von 0,7 bis 0,95, vorzugsweise von 0,8 bis 0,9, bewährt. Diese vergleichsweise niedrigen Lambdawerte begünstigen einerseits die H₂S-Bildung gegenüber der, bei weniger fetten Abgasatmosphären vorherrschenden SO₂-Bildung. Gleichzeitig wird so die Sauerstoffentfernung des Katalysatorsystems besonders schnell und erschöpfend erzielt. Der Verlauf der Sauerstoffentfernung kann in einfacher Weise mittels einer dem Hauptkatalysator nachgeschalteten, sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung überwacht werden. Dabei kann es sich etwa um eine Lambdasonde oder um einen mit einer Lambdamessfunktion ausgestatteten NO_x-Sensor handeln.

Um Durchbrüche von Schadstoffen (CO und HC) möglichst weitgehend zu unterdrücken, wird in der anschließenden zweiten Phase das Verbrennungslambda auf einen möglichst knapp unterhalb von eins befindlichen Lambdawert angehoben. Insbesondere kann die zweite Phase vorteilhaft bei einem Verbrennungslambda von 0,95 bis 0,995, vorzugsweise von 0,98 bis 0,99, durchgeführt werden. Da zu dieser Zeit der Vorkatalysator praktisch sauerstofffrei ist und mit einer reduzierenden Abgasatmosphäre beaufschlagt wird, erfolgt die Schwefelfreisetzung nahezu ausschließlich in Form von H₂S. Da ferner die Einspeicherung des Schwefels in die Sauerstoff-speichernden Komponenten (OSC) oder in die NO_x-Speicherkomponenten des Hauptkatalysators eine Oxidation von H₂S über SO₂ zu SO₃ erfordert, im Hauptkatalysator jedoch ebenfalls kein Sauerstoff zur Verfügung steht, kann eine Schwefeleinlagerung allenfalls mit einem sehr geringen Wirkungsgrad erfolgen. Die Entschwefelung des Vorkatalysators erfolgt also weitgehend ohne erneute Einlagerung des Schwefels in den Hauptkatalysator.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, das zweite fette Verbrennungslambda so lange aufrecht zu erhalten, bis der Vorkatalysator zumindest weitgehend schwefelfrei ist, ehe die zweite Phase beendet und die Verbrennungskraftmaschine wieder in den regulären Betriebsmodus geschaltet wird. Dafür kann etwa der Schwefeleintrag und/oder der Schwefelaustrag in beziehungsweise aus dem Vorkatalysator kontinuierlich modelliert werden, so dass eine (modellierte) Schwefelgesamtbeladung des Vorkatalysators ermittelt werden kann. Eine Beendigung der zweiten Phase und Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine in den regulären Magerbetrieb erfolgt vorteilhaft dann, wenn die Modellrechnung eine weitgehend vollständige oder eine anderweitig vorgegebene Schwefelentleerung des Vorkatalysators anzeigt. Die Modellierung des Schwefeleintrags und des Schwefelaustrags kann in bekannter Weise anhand aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere anhand der Verbrennungsparameter, erfolgen.

Die Temperatur des Vorkatalysators kann entweder mittels eines am, vor oder nach dem Vorkatalysator angeordneten Temperatursensors gemessen werden oder anhand einer Modellrechnung unter Berücksichtigung geeigneter Betriebsparameter ermittelt werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt zudem eine Hochrechnung (Prognose) der Vorkatalysatortemperatur für eine gewisse zukünftige Zeitspanne. Wird durch die Hochrechnung ein Erreichen der Schwefel- Desorptionstemperatur innerhalb der Zeitspanne aufgrund eines besonders schnellen Temperaturanstieges prognostiziert, so kann die erste Phase der Entschwefelung des Vorkatalysators bereits eingeleitet werden, ehe dieser die Desorptionstemperatur erreicht hat. Auf diese Weise kann die Sauerstoffentfernung der ersten Phase des Verfahrens bereits unterhalb der Desorptionstemperatur einer oder aller Vorkatalysatorkomponenten teilweise oder sogar vollständig abgewickelt werden. Die Hochrechnung der Vorkatalysatortemperatur erfolgt vorzugsweise unter Berücksichtigung einer Stellung eines Pedalwertgebers (PWG) eines Gaspedals, einer Dynamik des Pedalwertgebers, einer Motordnshzahl, einer eingespritzten Kraftstoffmenge, der aktuellen Vorkatalysatortemperatur, einer Dynamik der Vorkatalysatortemperatur, der modellierten Schwefellbeladung des Vorkatalysators und/oder einer Sauerstoffspeicheraktivität des Vorkatalysators.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens können das erste und/oder das zweite fette Verbrennungslambda in Abhängigkeit von den vorstehend genannten Parametern vorgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich können die Verbrennungslambdas der ersten und der zweiten Phase unter Berücksichtigung eines Zustandes des Hauptkatalysators vorgegeben werden. Hier kommen vor allem eine Temperatur und/oder Temperaturdynamik, eine modellierte Schwefelbeladung, eine Konvertierungsaktivität und/oder eine Sauerstoffspeicheraktivität des Hauptkatalysators in Frage.

Da in einem üblichen Betrieb magerlauffähiger Verbrennungskraftmaschinen fette Betriebsintervalle aus verschiedensten Gründen regelmäßig notwendig werden, ist bevorzugt vorgesehen, eine solche "natürliche" fette Betriebsphase für die erfindungsgemäße Entschwefelung des Vorkatalysators zu nutzen und entsprechend der genannten Vorgaben auszugestalten, sofern die Vorkatalysatortemperatur die Schwefel-Desorptionstemperatur überschreitet. Im Falle eines als NO_x- Speicherkatalysator ausgestalteten Hauptkatalysators kann insbesondere ein NO_x- Regenerationsintervall zur erfindungsgemäßen Entschwefelung des Vorkatalysators genutzt werden. Denkbar ist jedoch auch, Fettintervalle einer sogenannten Zwangsamplitude eines stöchiometrischen Betriebes (λ = 1) bei 3-Wege- Katalysatorsystemen zu nutzen.

Die Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Die Vorrichtung sieht Mittel vor, mit denen die geschilderten Verfahrensschritte ausführbar sind. Die Mittel umfassen eine Steuereinheit, in der ein Algorithmus zur Steuerung der Verfahrensschritte in digitaler Form hinterlegt ist. Diese Steuerung kann vorteilhaft auch in ein Motorsteuergerät des Fahrzeuges integriert sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasanlage;

Fig. 2 zeitliche Verläufe verschiedener Betriebs- und Abgasparameter der Abgasanlage nach Fig. 1 während eines herkömmlichen Betriebs der Abgasanlage und

Fig. 3 zeitliche Verläufe verschiedener Betriebs- und Abgasparameter der Abgasanlage nach Fig. 1 während einer erfindungsgemäßen Entschwefelung eines Vorkatalysators.

Der in der Fig. 1 dargestellten Verbrennungskraftmaschine 10 ist eine insgesamt mit 12 bezeichnete Abgasanlage zugeordnet. Die Abgasanlage 12 umfasst einen Abgaskanal 14, in dem in einer motornahen Position ein kleinvolumiger Vorkatalysator 16 - typischerweise ein 3-Wege-Katalysator - sowie in einer Unterbodenposition des Fahrzeuges ein großvolumiger NOx Speicherkatalysator 18 angeordnet ist. Neben dem Katalysatorsystem 16, 18 beherbergt der Abgaskanal 14 üblicherweise verschiedene, im Einzelnen nicht gezeigte Gas- und/oder Temperatursensoren zur Regelung der Verbrennungskraftmaschine 10. Dargestellt ist hier lediglich eine sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 20, die stromab des NO_x-Speicherkatalysators 18 installiert ist. Die Messeinrichtung 20 kann beispielsweise eine Lambdasonde oder ein NOx Sensor sein, welcher mit einer Lambdamessfunktion ausgestattet ist. In jedem Fall übermittelt die Messeinrichtung 20 ein von einem Sauerstoffanteil des Abgases abhängiges Signal an ein Motorsteuergerät 22, in welchem es digitalisiert und weiterverarbeitet wird. In dem Motorsteuergerät 22 ist eine Steuereinheit 24 integriert, in welcher ein Algorithmus zur Durchführung eines Verfahrens zur Entschwefelung des Vorkatalysators 16 hinterlegt ist. Das Motorsteuergerät 22 und die Steuereinheit 24 sind in der Lage, mindestens einen Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere ein zuzuführendes Luft-Kraftstoff-Gemisch (Verbrennungslambda), in noch zu erläuternder Weise zu beeinflussen.

Zur Veranschaulichung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems sind in Fig. 2 verschiedene Betriebs- und Abgasparameter der in Fig. 1 dargestellten Anordnung gemäß eines herkömmlichen Betriebs gezeigt. Dabei ist im unteren Diagramm der Fig. 1 mit Graph 100 ein Verlauf des Verbrennungslambdas der Verbrennungskraftmaschine 10 dargestellt. Das mittlere Diagramm zeigt den Vorkatalysator 16 betreffende Parameter. Dabei stellt der Graph 102 den Verlauf einer Sauerstoffbeladung des Vorkatalysators 16 dar. Der Graph 104 gibt ein Verhältnis von einem stromauf zu einem stromab des Vorkatalysators 16 vorliegenden SO₂-Anteil im Abgas wieder. Werte oberhalb der Zeitachse t symbolisieren eine Schwefeleinlagerung in den Vorkatalysator 16, wohingegen unterhalb der Zeitachse t liegende Werte einen Schwefelaustrag anzeigen. In hierzu analoger Weise stellt der Graph 106 das Verhältnis von Schwefelwasserstoff H₂S stromauf und stromab des Vorkatalysators 16 dar. Schließlich zeigt das obere Diagramm Parameter des Hauptkatalysators/NO_x-Speicherkatalysators 18. Hierin gibt der Graph 108 die Sauerstoffbeladung und Graph 110 das stromauf zu stromab des NO_x-Speicherkatalysators 18 vorliegende SO₂-Verhältnis wieder.

Bis zu einem mit t₁ bezeichneten Zeitpunkt wird die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem mageren Verbrennungslambda λ_M beaufschlagt (Graph 100). Aufgrund des hohen Sauerstoffanteils im Abgas in dieser Phase ist eine Sauerstoffspeicherkapazität sowohl des Vorkatalysators 16 als auch des NO_x-Speicherkatalysators 18 voll ausgelastet, so dass die Graphen 102 und 108 ihre maximalen Werte anzeigen. Gleichzeitig findet in beiden Katalysatoren 16, 18 eine kontinuierliche Einlagerung von SO₂ statt (Graph 104, 110). Dabei wird ein Teil des von der Verbrennungskraftmaschine 10 emittierten SO₂ an die Edelmetallkomponenten des Vorkatalysators 16 sowie in die Sauerstoff-speichernden Komponenten (OSC) des Vorkatalysators 16 eingelagert. Praktisch der gesamte restliche, den Vorkatalysator 16 passierende SO₂-Anteil wird von dem NO_x-Speicher des NO_x-Speicherkatalysators 18 in Form von Sulfat eingespeichert. Zum Zeitpunkt t₁ wird die Verbrennungskraftmaschine 10 in eine fette Betriebsphase τ_F mit einem Verbrennungslambda λ_F < 1 umgeschaltet. Dies geschieht beispielsweise zum Zwecke einer NO_x-Regeneration des Speicherkatalysators 18, deren Notwendigkeit mittels der Messeinrichtung (des NO_x-Sensors) 20 erkannt wird. Infolge des nunmehr im Abgas vorliegenden Sauerstoffmangels beginnt unmittelbar nach dieser Umstellung eine Entleerung des Sauerstoffspeichers des Vorkatalysators 16 (Graph 102). Sofern - wie hier vorausgesetzt wird - die Vorkatalysatortemperatur mindestens einer Schwefel- Desorptionstemperatur entspricht, setzt mit dem Wechsel in den fetten Betriebsmodus ▱ τ_F ein Austrag des in den Vorkatalysator 16 gespeicherten Schwefels in Form von SO₂ ein, der anhält, solange der Sauerstoffspeicher nicht vollständig entleert ist (Graph 104). In dieser Phase ist der Sauerstoffspeicher des NO_x- Speicherkatalysators 18 (Graph 108) noch nahezu vollständig gefüllt. Dies ist auf eine Abgaslaufzeit, die insgesamt viel höhere Sauerstoffspeicherkapazität des Hauptkatalysators 18 sowie auf die Freisetzung von Oxidationsmitteln durch die am Vorkatalysator 16 stattfindenden Prozesse zurückzuführen. Die Gegenwart von Sauerstoff bewirkt eine nahezu vollständige Einlagerung des von dem Vorkatalysator 16 emittierten SO₂ in den Hauptkatalysator 18 (Graph 110).

Sobald der Sauerstoffspeicher des Vorkatalysators 16 vollständig erschöpft ist (Graph 102), endet die SO₂-Freisetzung durch den Vorkatalysator 16 (Graph 104), da eine Oxidation der eingelagerten Schwefelkomponenten zu SO₂ nun nicht mehr möglich ist. Da der Vorkatalysator 16 jedoch weiterhin die Schwefel-Desorptionstemperatur überschreitet, beginnt nunmehr die Freisetzung des eingelagerten Schwefels in Form von Schwefelwasserstoff H₂S (Graph 106). Solange am Hauptkatalysator 18 noch geringste Mengen Sauerstoff gespeichert sind, erfolgt eine Oxidation des vom Vorkatalysator 16 emittierten H₂S und seine praktisch vollständige Einlagerung sowohl in den NO_x-Speicher als auch in die OSC des Speicherkatalysators 18 (Graph 110). Erst nach vollständiger Entleerung des Sauerstoffspeichers ist am Ende der NO_x- Regeneration τ_F ein geringfügiger H₂S-Durchbruch durch den NO_x-Speicherkatalysator 18 zu verzeichnen. Dieser durchbrechende H₂S-Anteil ist durch den schraffierten Bereich 112 unter dem Graphen 106 gekennzeichnet. Nach Beendigung der NO_x- Regeneration zum Zeitpunkt t₂, an dem die Verbrennungskraftmaschine 10 wieder in den mageren Betriebsmodus mit λ_M < 1 geschaltet wird, beginnt ein erneutes Auffüllen des Sauerstoffspeichers des Vorkatalysators 16 (Graph 102) und damit ein Rückgang und Ende der H₂S-Emission (Graph 106). Beide Katalysatoren 16, 18 beginnen wieder mit der Einlagerung von SO₂ (Graph 104, 110).

Insgesamt wird deutlich, dass im herkömmlichen Betrieb nahezu das gesamte, von der Verbrennungskraftmaschine 10 emittierte SO₂ sowohl in mageren als auch in fetten Betriebsphasen von dem Katalysatorsystem 16, 18 eingelagert wird. Während der Vorkatalysator 16 bei entsprechender Temperatur während der fetten Betriebsphasen τ_F immerhin noch eine gewisse Entschwefelung erfährt, kommt es durch Schwefelumlagerung vom Vor- in den Hauptkatalysator zu einer zunehmenden Verschwefelung des Hauptkatalysators 18. Die Folge ist eine Abnahme seiner Konvertierungsaktivität sowie im Falle von NO_x-Speicherkatalysatoren eine Abnahme seiner NO_x-Speicheraktivität. Durch die nahezu vollständige Umlagerung des von dem Vorkatalysator 16 emittierten Schwefels in den Hauptkatalysator 18, werden die Abstände, in denen eine aktive Herbeiführung von Entschwefelungen des Hauptkatalysators 18 erforderlich werden, verkürzt. Da diese Entschwefelungen des Hauptkatalysators 18 sehr hohe Katalysatortemperaturen (im Falle von NO_x- Speicherkatalysatoren ≧ 650°C) erfordern, ist dies mit einem hohen Kraftstoffmehrverbrauch verbunden.

Um dieses Problem wenigstens abzuschwächen oder zu überkommen, wird die im Folgenden anhand von Fig. 3 dargestellte Vorgehensweise vorgeschlagen:
Fig. 3 zeigt die gleichen Parameter wie Fig. 2, diesmal jedoch während des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entschwefelung des Vorkatalysators 16. Zunächst befindet sich die Verbrennungskraftmaschine 10 in einem mageren Betriebsmodus mit l_M < 1. Zu einem Zeitpunkt t₁ wird beispielsweise anhand eines gemessenen NO_x- Durchbruches eine NO_x-Regenerationsnotwendigkeit des NO_x-Speicherkatalysators 18 erkannt. Gleichzeitig wird die Vorkatalysatortemperatur mittels eines Temperatursensors gemessen oder von der Steuereinheit 24 in Abhängigkeit von geeigneten Betriebsparametern anhand theoretischer Modelle oder abgespeicherter Datenfelder ermittelt. Diese Vorgehensweise ist dem Fachmann geläufig und soll hier nicht näher erläutert werden. Anschließend wird überprüft, ob die Vorkatalysatortemperatur eine Schwefel-Desorptionstemperatur zumindest einer der Schwefel-einlagernden Komponenten des Vorkatalysators 16 übersteigt. Die Desorptionstemperatur beträgt etwa 450°C für die Sauerstoff-speichernden Komponenten (OSC) und etwa 500°C für die Edelmetallkomponenten der katalytischen Beschichtung. Wird das Vorliegen einer ausreichend hohen Temperatur festgestellt, wird die erfindungsgemäße Entschwefelung des Vorkatalysators 16 eingeleitet. Dafür wird in einer ersten Phase τ_F1 das Katalysatorsystem mit einer fetten Abgasatmosphäre mit λ_F1 < 1 beaufschlagt. Die hierdurch hervorgerufenen Prozesse an Vor- und Hauptkatalysator ähneln zunächst denen der Fig. 2: Der Sauerstoffspeicher des Vorkatalysators 16 wird entleert (Graph 102) und in den Vorkatalysator 16 eingelagerter Schwefel wird in Form von SO₂ freigesetzt (Graph 104) und nahezu vollständig in den noch nicht sauerstofffreien NO_x- Speicherkatalysator 18 eingelagert (Graph 110). Der Lambdafettwert λ_F1 wird so lange aufrechterhalten, bis die stromab des NO_x-Speicherkatalysators 18 angeordnete sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 20 eine fette Abgasatmosphäre und damit die vollständige Sauerstoffentleerung des Katalysatorsystems, inklusive des Speicherkatalysators 18, detektiert. Als Kriterium hierfür kann ein geeigneter Lambdawert beziehungsweise eine Sondenspannung als Grenzwert vorgegeben werden. Während dieser ersten Phase T_F1 kann der Lambdafettwert niedriger, das heißt fetter, gegenüber herkömmlichen NO_x-Regenerationsverfahren gewählt werden. Insbesondere hat sich ein Lambdafettwert λ_F1 von 0,8 bis 0,9 als vorteilhaft erwiesen. Auf diese Weise wird die Sauerstoffentleerung des Katalysatorsystems 16, 18 beschleunigt und die H₂S-Bildung am Vorkatalysator 16 begünstigt.

Nach Detektion des fetten Abgases durch die Messeinrichtung 20 wird das Verbrennungslambda auf einen zweiten Lambdafettwert λ_F2 angehoben, der nur geringfügig kleiner als eins ist (Graph 100). Vorzugsweise beträgt λ_F2 0,98 bis 0,99. Die Annäherung des Lambdawertes an eine stöchiometrische Abgaszusammensetzung dient der Vermeidung von Schadstoffdurchbrüchen durch Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen. Der während dieser zweiten Phase τ_F2 weiterhin vom Vorkatalysator 16 in Form von H₂S emittierte Schwefel kann vom NO_x- Speicherkatalysator 18 allenfalls mit einem geringen Wirkungsgrad eingelagert werden, da für die Speicherung des Schwefels an den Sauerstoff- oder den NO_x- Speicherkomponenten eine Oxidation von H₂S über SO₂ zu SO₃ erforderlich ist, um Sulfate (SO^2- ₄) bilden zu können. Für diese Reaktionen steht jedoch kein Sauerstoff zur Verfügung, so dass der Schwefel weitgehend ohne Einlagerung emittiert wird. Lediglich an den Edelmetallkomponenten des NO_x-Speicherkatalysators 18 kann eine geringfügige Einlagerung des H₂S in Form von Sulfiden S^2- erfolgen. Die schraffierte Fläche 112 unter dem Graphen 106, welche die durch den NO_x-Speicherkatalysator 18 durchbrechende Schwefelmenge kennzeichnet, verdeutlicht, dass erfindungsgemäß ein Großteil des in den Vorkatalysator 16 eingelagerten Schwefels ausgetrieben wird, ohne eine erneute Einlagerung in den Hauptkatalysator 18 zu erfahren. Hierdurch wird eine schleichende Schwefelvergiftung des Hauptkatalysators 18 verlangsamt und somit aktive, kraftstoffzehrende Entschwefelungsmaßnahmen des Hauptkatalysators 18 in größeren zeitlichen Abständen notwendig. Vorteilhafterweise wird die Schwefelein- und - auslagerung des Vorkatalysators 16 kontinuierlich anhand geeigneter Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 sowie der Abgasanlage 12 modelliert, so dass die zweite Phase τ_F2 abgebrochen wird und eine Rückkehr zum Normalbetrieb mit λ_M < 1 erfolgt, wenn gemäß dieser Modellrechnung die Entschwefelung des Vorkatalysators 16 weitgehend vollständig ist.

BEZUGSZEICHENLISTE

10

Verbrennungskraftmaschine

12

Abgasanlage

14

Abgaskanal

16

Vorkatalysator

18

Hauptkatalysator/NO_x

-Speicherkatalysator

20

sauerstoffempfindliche Messeinrichtung

22

Motorsteuergerät

24

Steuereinheit

100

Verbrennungslambda

102

Sauerstoffbeladung Vorkatalysator

104

Verhältnis SO₂

-Anteil Abgas stromauf zu stromab des Vorkatalysators

106

Verhältnis H₂

S-Anteil Abgas stromauf zu stromab des Vorkatalysators

108

Sauerstoffbeladung Hauptkatalysator

110

Verhältnis SO₂

-Anteil Abgas stromauf zu stromab des Hauptkatalysators

112

H₂

S-Durchbruch Hauptkatalysator
λ_M

Lambdamagerwert
λ_F

Lambdafettwert
t Zeit
τ_F

fette Betriebsphase

Claims

1. Verfahren zur Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine angeordneten Vorkatalysators, dem ein Hauptkatalysator, insbesondere ein NO_x-Speicherkatalysator, nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in wiederkehrenden Abständen in den Vorkatalysator (16) eingelagerter Schwefel zumindest teilweise in einer Form ausgetrieben wird, die unter vorliegenden Betriebsbedingungen den Hauptkatalysator (18) zu mindestens 25% passiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Vorkatalysator (16) ausgetriebene Schwefelform den Hauptkatalysator (18) zu mindestens 50% passiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwefel zumindest teilweise in Form von Schwefelwasserstoff (H₂S) ausgetrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkatalysator (18) während des Schwefelaustriebs zumindest weitgehend sauerstofffrei ist.

5. Verfahren zur Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine angeordneten Vorkatalysators, dem ein Hauptkatalysator, insbesondere ein NO_x-Speicherkatalysator, nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem zumindest zeitweisen Vorliegen einer Temperatur des Vorkatalysators (16), die größer oder gleich einer Schwefel- Desorptionstemperatur des Vorkatalysators (16) ist,

a) in einer ersten Phase (τ_F1) die Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem ersten fetten Verbrennungslambda (τ_F1) so lange beaufschlagt wird, bis ein Sauerstoffspeicher des Hauptkatalysators (18) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist, und
b) in einer anschließenden zweiten Phase (τ_F2) das Verbrennungslambda der Verbrennungskraftmaschine (10) auf ein zweites fettes Verbrennungslambda (λ_F2) mit λ_F1 < λ_F2 < 1 angehoben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite fette Verbrennungslambda (λ_F2) so lange aufrechterhalten wird, bis der Vorkatalysator (16) zumindest weitgehend schwefelfrei ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fette Verbrennungslambda (τ_F1) so lange aufrechterhalten wird, bis eine Sauerstoff- Speicherkapazität des Hauptkatalysators (18) höchstens zu 20%, insbesondere zu weniger als 10%, belegt ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest weitgehende Entleerung des Sauerstoffspeichers des Hauptkatalysators (18) mittels einer diesem nachgeschalteten, sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung (20) überwacht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fette Verbrennungslambda (τ_F1) 0,7 bis 0,95, insbesondere 0,8 bis 0,9, beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite fette Verbrennungslambda (λ_F2) 0,95 bis 0,995, insbesondere 0,98 bis 0,99, beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer modellierten Schwefelbeladung des Vorkatalysators (16) ein Ende der zweiten Phase (τ_F2) bestimmt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwefelbeladung in Abhängigkeit eines anhand aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (10) modellierten Schwefeleintrages und/oder Schwefelaustrages des Vorkatalysators (16) ermittelt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Vorkatalysators (16) gemessen oder anhand einer Modellrechnung ermittelt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Vorkatalysators (16) für eine vorgegebene Zeitspanne hochgerechnet wird und die erste Phase eingeleitet wird, noch ehe der Vorkatalysator (16) die Schwefel-Desorptionstemperatur erreicht hat, wenn durch die Hochrechnung ein zukünftiges Erreichen der Schwefel-Desorptionstemperatur innerhalb der Zeitspanne erkannt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochrechnung der Vorkatalysatortemperatur unter Berücksichtigung einer Stellung eines Pedalwertgebers eines Gaspedals, einer Dynamik des Pedalwertgebers, einer Motordrehzahl, einer eingespritzten Kraftstoffmenge, der aktuellen Vorkatalysatortemperatur, einer Dynamik der Vorkatalysatortemperatur, der modellierten Schwefelbeladung des Vorkatalysators (16) und/oder einer Sauerstoffspeicheraktivität des Vorkatalysators (16) erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fette Verbrennungslambda (λ_F1) und/oder das zweite fette Verbrennungslambda (λ_F2) in Abhängigkeit von der Stellung des Pedalwertgebers des Gaspedals, der Dynamik des Pedalwertgebers, der Motordrehzahl, der eingespritzten Kraftstoffmenge, der Vorkatalysatortemperatur, der Dynamik der Vorkatalysatortemperatur, der modellierten Schwefelbeladung des Vorkatalysators (16), der Sauerstoffspeicherfähigkeit des Vorkatalysators (16), einer Temperatur und/oder Temperaturdynamik des Hauptkatalysators (18), einer modellierten Schwefelbeladung des Hauptkatalysators (18), einer Konvertierungsaktivität des Hauptkatalysators (18) und/oder einer Sauerstoffspeicheraktivität des Hauptkatalysators (18) vorgegeben wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung der Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem ersten fetten Verbrennungslambda (τ_F1) und zweiten fetten Verbrennungslambda (λ_F2) zumindest teilweise in ein NO_x-Regenerationsintervall des NO_x-Speicherkatalysators (18) fällt.

18. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Entschwefelung eines in einem Abgaskanal einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine angeordneten Vorkatalysators, dem ein Hauptkatalysator, insbesondere ein NO_x- Speicherkatalysator, nachgeschaltet ist, gekennzeichnet durch Mittel, mit denen in wiederkehrenden Abständen eine Austreibung in den Vorkatalysator (16) eingelagerten Schwefels zumindest teilweise in einer Form, die unter Betriebsbedingungen den Hauptkatalysator (18) zu mindestens 25% passiert, ausführbar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Mittel, mit denen die Verfahrensschritte bei einem zumindest zeitweisen Vorliegen einer Temperatur des Vorkatalysators (16), die größer oder gleich einer Schwefel-Desorptionstemperatur des Vorkatalysators (16) ist,

a) Beaufschlagung der Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem ersten fetten Verbrennungslambda (λ_F1) in einer ersten Phase (τ_F1) so lange, bis ein Sauerstoffspeicher des Hauptkatalysators (18) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist, und
b) Beaufschlagung der Verbrennungskraftmaschine (10) in einer anschließenden zweiten Phase (τ_F2) mit einem zweiten fetten Verbrennungslambda (λ_F2) mit λ_F1 < λ_F2 < 1

ausführbar sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Steuereinheit (24) umfassen, in der ein Algorithmus zur Steuerung der Verfahrensschritte in digitaler Form hinterlegt ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (24) in ein Motorsteuergerät (22) integriert ist.