DE102006062650B4 - Process for the reactivation of precious metal-containing exhaust gas aftertreatment components of continuously lean-burning internal combustion engines and control unit for controlling the process - Google Patents

Process for the reactivation of precious metal-containing exhaust gas aftertreatment components of continuously lean-burning internal combustion engines and control unit for controlling the process Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Reaktivierung von edelmetallhaltigenAbgasnachbehandlungskomponenten (16, 18, 20) in Abgasanlagen (12) mit zumindest einer edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponente (16, 18, 20) von Brennkraftmaschinen (10), die in ihrem gesamten Last- und Drehzahlbereich mager betrieben werden,wobei zur Reaktivierung von zumindest einer der edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponenten (16, 18, 20) diese temporär mit einer reduzierenden Abgasatmosphäre beaufschlagt wird, die zumindest kurzfristig einen Lambdawert (λ) von höchstens 1,2 aufweist, unter Bedingungen, die geeignet sind, oxidische Edelmetallverbindungen zumindest teilweise zu reduzieren, undwobei die Beaufschlagung mit der reduzierenden Abgasatmosphäre spätestens 1000 Sekunden nach einer Regeneration eines in der Abgasanlage (12) angeordneten Partikelfilters (18) beginnt.Method for reactivation of precious metal-containing exhaust gas aftertreatment components (16, 18, 20) in exhaust systems (12) with at least one precious metal-containing exhaust gas aftertreatment component (16, 18, 20) of internal combustion engines (10) that are operated lean over their entire load and speed range, with reactivation of at least one of the precious metal-containing exhaust gas aftertreatment components (16, 18, 20), this is temporarily subjected to a reducing exhaust gas atmosphere, which at least briefly has a lambda value (λ) of at most 1.2, under conditions that are suitable for at least partially reducing oxidic precious metal compounds , and where the application of the reducing exhaust gas atmosphere begins no later than 1000 seconds after regeneration of a particle filter (18) arranged in the exhaust system (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederherstellung einer Reaktivität von edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponenten, die in einer Abgasanlage von Brennkraftmaschinen angeordnet sind, welche in ihrem gesamten Betriebsbereich dauernd mager betrieben werden.The invention relates to a method for restoring the reactivity of exhaust gas aftertreatment components containing noble metals, which are arranged in an exhaust system of internal combustion engines which are continuously operated lean over their entire operating range.

Viele Brennkraftmaschinen, insbesondere (selbstzündende) Dieselmotoren, werden heute in ihrem gesamten last- und drehzahlabhängigen Betriebsbereich mager gefahren. Hingegen werden in der Regel bei magerlauffähigen Ottomotoren zur Einhaltung gesetzlicher NOx-Grenzwerte NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt, die NOx speichern und in zwischengeschalteten fetten Regenerationszyklen regeneriert werden müssen. Anders als bei derartigen magerlauffähigen Ottomotoren werden bei dauernd mager betriebenen Dieselmotoren normalerweise keine fetten Phasen zwischengeschaltet, in denen das Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lambda kleiner als 1 ist und definitionsgemäß einen Überschuss an den reduzierenden Abgaskomponenten HC und CO vorliegt. Vielmehr werden bei modernen Dieselmotoren die Emissionen von Stickoxiden NOx allein durch motorische Maßnahmen, wie Abgasrückführung AGR oder anderen, auf ein abgaskonformes Niveau gesenkt. Das bedeutet, dass diese Brennkraftmaschinen über ihre gesamte Lebensdauer mager, also mit einem Sauerstoffüberschuss (Lambda > 1) im Luft-Kraftstoff-Verhältnis gefahren werden.Many internal combustion engines, in particular (self-igniting) diesel engines, are now run lean over their entire load- and speed-dependent operating range. On the other hand, in order to comply with statutory NO x limit values, NO x storage catalytic converters are generally used in spark-ignition engines capable of running lean, which store NO x and have to be regenerated in intermediate rich regeneration cycles. In contrast to such lean-running Otto engines, no rich phases are normally interposed in continuously lean-running diesel engines, in which the air-fuel ratio lambda is less than 1 and, by definition, there is an excess of the reducing exhaust gas components HC and CO. Instead, in modern diesel engines, the emissions of nitrogen oxides NO x are reduced to a level that is compatible with exhaust emissions solely by means of engine measures such as exhaust gas recirculation (EGR) or others. This means that these internal combustion engines are run lean over their entire service life, i.e. with an excess of oxygen (lambda > 1) in the air-fuel ratio.

Zur Verminderung der Abgasemissionen, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, Kohlenmonoxid CO und Rußpartikeln, weisen die Abgasanlagen dauernd mager betriebener Brennkraftmaschinen, wie Dieselmotoren, verschiedene Abgasnachbehandlungskomponenten auf. Hierzu zählen Oxidationskatalysatoren, Partikelfilter, SCR-Katalysatoren (SCR für selective chemical reduction), CRT-Katalysatoren (CRT für continuous regeneration trap), NH3-Sperrkatalysatoren und HC-Speicher. Diese Komponenten enthalten als katalytisches Material, welches die chemische Umsetzung der genannten Abgasbestandteilen bewirkt, in der Regel ein Edelmetall oder eine Mischung verschiedener Edelmetalle. Als Edelmetalle kommen beispielsweise Platin, Palladium, Rhodium, Iridium und andere zum Einsatz. Als problematisch an dieser Konstellation hat sich nunmehr erwiesen, dass bei dauerndem Magerbetrieb und damit dauernd magerem Abgas es zu einer Oxidation des Edelmetalls kommen kann. Diese Oxidation der Edelmetalle erfolgt umso schneller und nachhaltiger, je höher die Temperaturen der Komponenten bei magerer Abgasatmosphäre sind. Die entstehenden Edelmetalloxide weisen jedoch keine oder nur verminderte katalytische Wirkung auf, so dass eine ausreichende Abgasnachbehandlung langfristig nicht gewährleistet werden kann.In order to reduce exhaust gas emissions, in particular unburned hydrocarbons HC, carbon monoxide CO and soot particles, the exhaust systems of internal combustion engines such as diesel engines that are operated continuously lean have various exhaust gas aftertreatment components. These include oxidation catalytic converters, particle filters, SCR catalytic converters (SCR for selective chemical reduction), CRT catalytic converters (CRT for continuous regeneration trap), NH 3 blocking catalytic converters and HC storage. These components usually contain a noble metal or a mixture of different noble metals as the catalytic material which brings about the chemical conversion of the exhaust gas components mentioned. Platinum, palladium, rhodium, iridium and others are used as precious metals. A problem with this constellation has now been shown to be that the precious metal can oxidize with continuous lean operation and thus continuous lean exhaust gas. This oxidation of the precious metals takes place faster and more sustainably, the higher the temperatures of the components are in a lean exhaust gas atmosphere. However, the resulting noble metal oxides have no or only a reduced catalytic effect, so that adequate exhaust aftertreatment cannot be guaranteed in the long term.

DE 100 17 203 A1 und DE 600 06 827 T2 beschreiben Verfahren zur Entschweflung von Oxidationskatalysatoren von Dieselmotoren. Zur Entschwefelung wird die verschwefelte Abgaskomponente temporär mit einer reduzierenden Abgasatmosphäre bei hohen Abgastemperaturen beaufschlagt. DE 100 17 203 A1 and DE 600 06 827 T2 describe processes for desulfurizing oxidation catalysts in diesel engines. For desulfurization, the sulphurized exhaust gas component is temporarily exposed to a reducing exhaust gas atmosphere at high exhaust gas temperatures.

In DE 101 03 771 A1 wird ein Verfahren zur Wiederherstellung der katalytischen Aktivität eines durch Ablagerungen von Ruß und Kohlenwasserstoffen beeinträchtigten Katalysators im Abgastrakt eines Dieselmotors beschrieben. Die Ablagerungen werden durch temporäre Erhöhung der Abgastemperatur auf über 450 °C abgebrannt.In DE 101 03 771 A1 describes a method for restoring the catalytic activity of a catalytic converter which has been impaired by deposits of soot and hydrocarbons in the exhaust system of a diesel engine. The deposits are burned off by temporarily increasing the exhaust gas temperature to over 450 °C.

EP 1 544 429 A1 beschreibt eine Abgasreinigung, die mittels einer edelmetallhaltigen Abgasbehandlungskomponente optional mit einem Partikelfilter das Abgas einer mager arbeitenden Brennkraftmaschine reinigt. Um eine Sauerstoffvergiftung des Edelmetalls zu verhindern, wird temporär eine fette (reduzierende) Abgasatmosphäre erzeugt. EP 1 544 429 A1 describes an exhaust gas cleaning system that cleans the exhaust gas of a lean-burn internal combustion engine using an exhaust gas treatment component containing precious metals, optionally with a particle filter. In order to prevent oxygen poisoning of the precious metal, a rich (reducing) exhaust gas atmosphere is temporarily generated.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine langfristige Aufrechterhaltung der katalytischen Aktivität edelmetallhaltiger Abgasnachbehandlungskomponenten von dauernd mager betriebenen Brennkraftmaschinen unterstützt.The object of the invention is to provide a method that supports long-term maintenance of the catalytic activity of exhaust gas aftertreatment components containing noble metals in internal combustion engines that are continuously operated lean.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Reaktivierung von edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponenten in Abgasanlagen von dauernd mager betriebenen Brennkraftmaschinen sowie eine Steuereinheit mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass zur Reaktivierung zumindest einer der edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponenten diese temporär mit einer reduzierenden Abgasatmosphäre beaufschlagt wird, die zumindest kurzfristig einen Lambdawert (λ) von höchstens 1,2 aufweist. Dies wird unter Bedingungen durchgeführt, die geeignet sind, oxidische Edelmetallverbindungen zumindest teilweise zu reduzieren. Diese Bedingungen betreffen insbesondere den genauen Fett-Lambdawert, die Temperatur der betroffenen Abgasnachbehandlungskomponente sowie die Dauer der Fettbeaufschlagung, wobei diese Parameter sich gegenseitig beeinflussen. Auf diese Weise gelingt es, die Oxidation der Edelmetalle zumindest teilweise rückgängig zu machen, das heißt die entstandenen Edelmetalloxide zumindest teilweise wieder in die entsprechenden aktiven elementaren Edelmetalle mit der Oxidationsstufe Null zu überführen. Dabei hat sich herausgestellt, dass derartige erfindungsgemäße Reaktivierungsintervalle so bemessen werden können, dass die dabei verursachten Emissionen von reduzierenden Abgasbestandteilen aufgrund des weit überwiegenden Magerbetriebs nicht ins Gewicht fallen und nicht zur Überschreitung tolerierbarer Grenzwerte führen. Erfindungsgemäß beginnt die Beaufschlagung mit der reduzierenden Abgasatmosphäre spätestens 1000 Sekunden nach einer Regeneration eines in der Abgasanlage angeordneten Partikelfilters.This object is achieved by a method for reactivation of noble metal-containing exhaust gas aftertreatment components in exhaust systems of internal combustion engines that are operated continuously lean and by a control unit having the features of the independent claims. The method according to the invention provides that, in order to reactivate at least one of the exhaust gas aftertreatment components containing noble metals, this is temporarily subjected to a reducing exhaust gas atmosphere, which at least briefly has a lambda value (λ) of at most 1.2. This is carried out under conditions which are suitable for at least partially reducing oxidic noble metal compounds. These conditions relate in particular to the exact rich lambda value, the temperature of the affected exhaust gas aftertreatment component and the duration of the rich charge, with these parameters influencing each other. In this way it is possible to at least partially reverse the oxidation of the noble metals, ie to at least partially convert the resulting noble metal oxides back into the corresponding active elementary noble metals with the oxidation state zero. It has been found that such reactivation sinter according to the invention valle can be measured in such a way that the resulting emissions of reducing exhaust gas components are not significant due to the predominant lean operation and do not lead to tolerable limit values being exceeded. According to the invention, the application of the reducing exhaust gas atmosphere begins no later than 1000 seconds after regeneration of a particle filter arranged in the exhaust system.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter „dauernd mager betriebenen Brennkraftmaschinen“, solche Motoren verstanden, die über ihren gesamten Last- und Drehzahlbereich üblicherweise mager betrieben werden, das heißt selbst sehr hohe Lastanforderungen und/oder Motordrehzahlen ohne eine aktiv angesteuerte Umschaltung des Betriebs auf Fettbetrieb (also unterstöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis mit Lambda < 1) darstellen. Ferner weisen „dauernd mager betriebene Brennkraftmaschinen“ im Sinne der vorliegenden Erfindung keine Speicherkomponenten für oxidierende Abgasbestandteile in ihrer Abgasanlage auf, deren Regeneration zwischengeschaltete Fettintervalle erfordert. Insbesondere weisen sie keinen NOx-Speicher oder NOx-Speicherkatalysator auf. Somit umfassen dauernd mager betriebene Brennkraftmaschinen nicht nur stationäre oder instationäre Dieselmotoren, beispielsweise von Kraftfahrzeugen und Schiffen, sondern auch Gasturbinen oder dergleichen, die edelmetallhaltige Abgasnachbehandlungskomponenten aufweisen.In the context of the present invention, “internal combustion engines operated continuously lean” are understood to mean engines that are usually operated lean over their entire load and speed range, i.e. even very high load requirements and/or engine speeds without an actively controlled switchover to rich operation (i.e. sub-stoichiometric air-fuel ratio with lambda < 1). Furthermore, “continuously lean-operated internal combustion engines” within the meaning of the present invention have no storage components for oxidizing exhaust gas components in their exhaust system, the regeneration of which requires intermediate rich intervals. In particular, they have no NO x storage or NO x storage catalyst. Internal combustion engines that are operated continuously lean thus include not only stationary or transient diesel engines, for example in motor vehicles and ships, but also gas turbines or the like, which have exhaust gas aftertreatment components containing noble metals.

Ferner wird unter einer „reduzierenden Abgasatmosphäre“ vorliegend eine Betriebsbedingung in der Abgasanlage verstanden, die zur Reduzierung der oxidierten Edelmetalle, insbesondere von Edelmetalloxiden, geeignet ist. Somit meint der Begriff „reduzierende Abgasatmosphäre“ nicht im strengen Sinne ein unterstöchiometrisches Abgas mit einem Lambdawert < 1 (obwohl dies zu einer reduzierenden Abgasatmosphäre bevorzugt beiträgt), sondern die Gesamtheit der Betriebsbedingungen, insbesondere Lambdawert, Temperatur und Dauer.Furthermore, a “reducing exhaust gas atmosphere” is understood here to mean an operating condition in the exhaust system which is suitable for reducing the oxidized noble metals, in particular noble metal oxides. Thus, the term "reducing exhaust gas atmosphere" does not mean in the strict sense a sub-stoichiometric exhaust gas with a lambda value <1 (although this preferably contributes to a reducing exhaust gas atmosphere), but rather the entirety of the operating conditions, in particular the lambda value, temperature and duration.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird das reduzierende Abgas durch Fettbetrieb der Brennkraftmaschine dargestellt. Dabei kann der Fettbetrieb durch Androsselung der Brennkraftmaschine, das heißt Verminderung der zugeführten Luftmasse, durch Erhöhung einer inneren oder äußeren Abgasrückführungsrate oder durch Kraftstoffnacheinspritzung vor und/oder nach einem Ende der Kraftstoffverbrennung erfolgen. Ebenfalls können diese Maßnahmen in beliebiger Kombination miteinander eingesetzt werden, wobei die Maßnahmen bevorzugt so ausgewählt oder miteinander kombiniert werden, dass durch die Reaktivierungsmaßnahme verursachte Schwankungen im Drehmoment minimiert werden.In a preferred embodiment of the invention, the reducing exhaust gas is produced by rich operation of the internal combustion engine. In this case, the rich operation can take place by throttling the internal combustion engine, ie reducing the air mass supplied, by increasing an internal or external exhaust gas recirculation rate or by post-injection of fuel before and/or after the end of fuel combustion. These measures can also be used in any combination with one another, with the measures preferably being selected or combined with one another in such a way that fluctuations in the torque caused by the reactivation measure are minimized.

Nach einer speziellen Ausführung der Erfindung kann die reduzierende Abgasatmosphäre einen überstöchiometrischen Abgaslambdawert, von beispielsweise λ ≤ 1,1, insbesondere von λ ≤ 1,05, beinhalten. Wird ein solcher Lambdawert eingestellt, sind zwar reduzierende Abgasbestandteile wie CO und HC nur in relativ geringem Maß im Abgas vorhanden, jedoch kann die reduzierende Wirkung beispielsweise durch vergleichsweise hohe Temperaturen und/oder vergleichsweise lange Reaktivierungsdauern erzielt werden. Idealerweise werden während der Reaktivierung jedoch leicht unterstöchiometrische Abgaslambdawerte von λ ≤ 1,0, insbesondere von λ ≤ 0,98, vorzugsweise von λ ≤ 0,95, eingestellt. Abhängig von der Art der Brennkraftmaschine können sogar Werte unterhalb von 0,92 toleriert werden. Bei wesentlich geringeren Lambdawerten, beispielsweise unterhalb von 0,90, ist in der Regel die ordnungsgemäße Zündung und Verbrennung des Gemischs nicht mehr gewährleistet. Grundsätzlich können die vorgenannten Lambdawerte während der Reaktivierung kontinuierlich oder in Intervallen eingestellt werden. Ebenso ist denkbar, die bevorzugten Lambdawerte örtlich homogen oder in örtlich begrenzten Teilabschnitten der Abgasanlage darzustellen.According to a specific embodiment of the invention, the reducing exhaust gas atmosphere can contain a super-stoichiometric exhaust gas lambda value of, for example, λ≦1.1, in particular λ≦1.05. If such a lambda value is set, reducing exhaust gas components such as CO and HC are only present in the exhaust gas to a relatively small extent, but the reducing effect can be achieved, for example, by comparatively high temperatures and/or comparatively long reactivation times. Ideally, however, slightly sub-stoichiometric exhaust gas lambda values of λ≦1.0, in particular of λ≦0.98, preferably of λ≦0.95, are set during the reactivation. Depending on the type of internal combustion engine, even values below 0.92 can be tolerated. With significantly lower lambda values, for example below 0.90, proper ignition and combustion of the mixture is usually no longer guaranteed. In principle, the aforementioned lambda values can be set continuously or at intervals during reactivation. It is also conceivable to display the preferred lambda values locally homogeneously or in locally limited sections of the exhaust system.

Die Beaufschlagung der zumindest einen Abgasnachbehandlungskomponente mit der reduzierenden Abgasatmosphäre kann für sehr geringe Dauern von beispielsweise mindestens 1 s, insbesondere von mindestens 2 s, speziell von mindestens 5 s erfolgen. Unterhalb dieser Dauern ist in der Regel die Reduktionswirkung der Maßnahme zu gering. Idealerweise erfolgt die Reaktivierung für eine Dauer von mindestens 10 s, insbesondere von mindestens 20 s. Denkbar ist auch eine Durchführung für eine Dauer von mehr als 30 s oder sogar mehr als 60 s. In der Regel wird sich bei diesen längeren Zeitspannen jedoch der Fettbetrieb der Brennkraftmaschine negativ bemerkbar machen, beispielsweise in Form von Fehlzündungen oder Mehrverbrauch.The at least one exhaust gas aftertreatment component can be subjected to the reducing exhaust gas atmosphere for very short periods of time, for example at least 1 s, in particular at least 2 s, especially at least 5 s. Below these durations, the reduction effect of the measure is usually too small. Ideally, the reactivation takes place for a period of at least 10 s, in particular of at least 20 s. It is also conceivable to carry it out for a period of more than 30 s or even more than 60 s. However, these longer periods of time usually result in rich operation make the internal combustion engine negatively noticeable, for example in the form of misfires or increased consumption.

Ein weiterer wichtiger Parameter für die Durchführung der erfindungsgemäßen Reaktivierung stellt die Temperatur der betreffenden Abgasnachbehandlungskomponente dar. Je höher die Komponententemperatur ist, desto kürzer kann die Reaktivierungsmaßnahme erfolgen und desto höher kann das Abgaslambda (weniger fett) eingestellt werden. Als untere Grenze für die Temperatur der zumindest einen edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponente hat sich 200 °C erwiesen. Unterhalb dieser Temperatur erfolgt die Reduzierung der Edelmetalle in der Regel zu langsam. Gemäß bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung erfolgt die Beaufschlagung mit der reduzierenden Abgasatmosphäre bei einer Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente von mindestens 250 °C, insbesondere von mindestens 300 °C, vorzugsweise von mindestens 350 °C. Idealerweise werden jedoch höhere Temperaturen von mindestens 400 °C für die Durchführung der Reaktivierung genutzt, insbesondere von mindestens 450 °C, vorzugsweise von mindestens 500 °C, besonders bevorzugt von mindestens 600 °C. Die obere Temperaturgrenze ist letztendlich nur durch die Hitzebeständigkeit der Abgasnachbehandlungskomponente begrenzt.Another important parameter for carrying out the reactivation according to the invention is the temperature of the relevant exhaust gas aftertreatment component. The higher the component temperature, the shorter the reactivation measure can take place and the higher the exhaust gas lambda (less rich) can be set. 200° C. has proven to be the lower limit for the temperature of the at least one exhaust gas aftertreatment component containing noble metal. Below this temperature, the precious metals are usually reduced too slowly. According to preferred embodiments of the invention the exposure to the reducing exhaust gas atmosphere at a temperature of the exhaust gas aftertreatment component of at least 250° C., in particular at least 300° C., preferably at least 350° C. Ideally, however, higher temperatures of at least 400° C. are used to carry out the reactivation, in particular at least 450° C., preferably at least 500° C., particularly preferably at least 600° C. Ultimately, the upper temperature limit is only limited by the heat resistance of the exhaust aftertreatment component.

Es ist besonders bevorzugt, die Reaktivierung möglichst zeitnah nach einer Regeneration eines Dieselpartikelfilters der Abgasanlage durchzuführen, da Partikelfilterregenerationen stark exotherm sind und somit hohe Temperaturen nicht nur des Partikelfilters, sondern auch der nachgeschalteten Komponenten gewährleisten. Mit Vorteil beginnt die Beaufschlagung mit der reduzierenden Abgasatmosphäre daher spätestens 300 s, vorzugsweise spätestens 60 s nach einer Regeneration des Partikelfilters.It is particularly preferred to carry out the reactivation as soon as possible after regeneration of a diesel particle filter in the exhaust system, since particle filter regenerations are highly exothermic and thus ensure high temperatures not only of the particle filter but also of the downstream components. The application of the reducing exhaust gas atmosphere therefore advantageously begins no later than 300 s, preferably no later than 60 s, after a regeneration of the particle filter.

Erforderlich für die Reduzierung der Oxidationsprodukte des katalytischen Edelmetalls ist das Vorhandensein von reduzierenden Bestandteilen im Abgas, insbesondere von unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC und Kohlenmonoxid CO. Bevorzugte Abgase enthalten mindestens 10 mg/s HC, insbesondere mindestens 20 mg/s HC, und/oder mindestens 50 mg/s CO, insbesondere mindestens 100 mg/s CO.Required for the reduction of the oxidation products of the catalytic noble metal is the presence of reducing components in the exhaust gas, in particular unburned hydrocarbons HC and carbon monoxide CO. Preferred exhaust gases contain at least 10 mg/s HC, in particular at least 20 mg/s HC, and/or at least 50 mg/s CO, in particular at least 100 mg/s CO.

Die erfindungsgemäße Reaktivierung sollte so selten wie möglich durchgeführt werden, um Nachteile im Brenn- und Abgasverhalten der Brennkraftmaschine zu minimieren. Auf der anderen Seite sollten die Anstände zwischen zwei Reaktivierungen nicht zu groß sein, damit sich keine irreversiblen Oxidationsprodukte der Edelmetalle bilden und ihre Reduzierung noch unter vergleichsweise milden Bedingungen erfolgen kann. In diesem Zusammenhang haben sich Magerintervalle zwischen den Reaktivierungen von 3 bis 600 Minuten, insbesondere von 5 bis 300 Minuten, vorzugsweise von 10 bis 120 Minuten, bewährt. Idealerweise wird eine Reaktivierung nach einem Magerintervall von 20 bis 60 Minuten durchgeführt.The reactivation according to the invention should be carried out as seldom as possible in order to minimize disadvantages in the combustion and exhaust gas behavior of the internal combustion engine. On the other hand, the intervals between two reactivations should not be too great so that no irreversible oxidation products of the noble metals are formed and their reduction can still take place under comparatively mild conditions. In this context, lean intervals between reactivations of 3 to 600 minutes, in particular 5 to 300 minutes, preferably 10 to 120 minutes, have proven useful. Ideally, reactivation is performed after a lean interval of 20 to 60 minutes.

Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinheit, insbesondere ein Motorsteuergerät zur Steuerung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Programmalgorithmus, der zur Steuerung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, zur Reaktivierung von edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponenten dauernd mager betriebener Brennkraftmaschinen.The invention also relates to a control unit, in particular an engine control unit for controlling a motor vehicle, with a program algorithm that is set up to control the implementation of the method according to the invention for reactivation of precious metal-containing exhaust gas aftertreatment components of internal combustion engines that are operated continuously lean.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred configurations of the invention result from the remaining features mentioned in the dependent claims.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand einer zugehörigen Zeichnung erläutert.The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to an associated drawing.

Die einzige Figur zeigt eine Verbrennungskraftmaschine 10, die hier insbesondere ein Dieselmotor ist, der über seinen gesamten Last- und Drehzahlbereich mager betrieben wird. Ein von der Verbrennungskraftmaschine 10 kommendes Abgas wird in eine insgesamt mit 12 bezeichnete Abgasanlage geleitet. Die Abgasanlage 12 umfasst einen Abgaskanal 14, der verschiedene Komponenten zur Abgasnachbehandlung enthält. Insbesondere beherbergt der Abgaskanal 14 in Strömungsrichtung des Abgases einen Oxidationskatalysator 16, einen Partikelfilter 18 sowie einen SCR-Katalysator 20. Der Oxidationskatalysator 16 nimmt eine Konvertierung von Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC) vor, wozu er Edelmetalle wie Platin, Palladium und/oder andere enthält. Der Partikelfilter 18 speichert Rußpartikel des Abgases und wird in Intervallen regeneriert, wobei die Rußpartikel unter Katalyse von Edelmetallen oxidativ verbrannt werden. Hierfür enthält der Partikelfilter 18 ebenfalls ein geeignetes Edelmetall. Bei dem SCR-Katalysator 20 handelt es sich um einen Reduktionskatalysator, der unter Beteiligung eines Reduktionsmittels, hier Ammoniak (NH3), Stickoxide (NOx) des Abgases zu N2 und H2O umsetzt. Das Reduktionsmittel NH3 wird beispielsweise in Form einer wässrigen Harnstofflösung als chemische Vorstufe für Ammoniak über eine Zudosiereinheit 22, die mit einem hier nicht dargestellten Vorratsbehälter verbunden ist, in den Abgaskanal 14 eingedüst.The only figure shows an internal combustion engine 10, which is in particular a diesel engine here, which is operated lean over its entire load and speed range. An exhaust gas coming from the internal combustion engine 10 is routed into an exhaust system denoted overall by 12 . The exhaust system 12 includes an exhaust duct 14 that contains various components for exhaust gas aftertreatment. In particular, the exhaust gas duct 14 houses an oxidation catalytic converter 16, a particle filter 18 and an SCR catalytic converter 20 in the flow direction of the exhaust gas. The oxidation catalytic converter 16 converts carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (HC), for which purpose it uses precious metals such as platinum, palladium and /or others contains. The particle filter 18 stores soot particles in the exhaust gas and is regenerated at intervals, with the soot particles being combusted by oxidation with the catalysis of noble metals. For this purpose, the particle filter 18 also contains a suitable precious metal. The SCR catalytic converter 20 is a reduction catalytic converter which, with the participation of a reducing agent, here ammonia (NH 3 ), converts nitrogen oxides (NO x ) in the exhaust gas to N 2 and H 2 O. The reducing agent NH 3 , for example in the form of an aqueous urea solution as a chemical precursor for ammonia, is injected into the exhaust gas duct 14 via a metering unit 22 which is connected to a reservoir, not shown here.

Die Reihenfolge und Ausgestaltung der verschiedenen Komponenten der Abgasanlage 12 kann von der hier dargestellten abweichen. Beispielsweise kann die Abgasanlage 12 alternativ oder zusätzlich zu den dargestellten Komponenten einen CRT-Katalysator (continuous regeneration trap) enthalten, der eine kurzzeitige Speicherung von Partikeln vornimmt und diese quasi-kontinuierlich unter Beteiligung eines Edelmetalls und NOx oxidativ verbrennt. Ebenfalls kommen NH3-Speicher insbesondere stromab von SCR-Katalysatoren in Frage, die einen Schlupf von NH3 auffangen und dieses unter Beteiligung eines Edelmetalls katalytisch umsetzen. Schließlich kann die Abgasanlage 12 auch einen HC-Speicher enthalten, der zwar zumeist selbst Edelmetall enthält, jedoch üblicherweise mit anderen, edelmetallhaltigen Komponenten auf einem gemeinsamen Katalysatorträger integriert vorliegt.The order and configuration of the various components of the exhaust system 12 may vary from that illustrated herein. For example, as an alternative or in addition to the components shown, the exhaust system 12 can contain a CRT catalytic converter (continuous regeneration trap) which stores particles for a short time and burns them oxidatively quasi-continuously with the participation of a precious metal and NO x . Also suitable are NH 3 storage devices, in particular downstream of SCR catalytic converters, which absorb slippage of NH 3 and convert this catalytically with the participation of a noble metal. Finally, the exhaust system 12 can also contain an HC reservoir, which in most cases contains noble metal itself, but is usually integrated with other components containing noble metal on a common catalyst carrier.

Die Versorgung der Verbrennungskraftmaschine 10 mit Luft erfolgt über einen Ansaugkanal 32, in dem eine stellbare Drosselklappe 34 angeordnet ist.The internal combustion engine 10 is supplied with air via an intake duct 32, in which an adjustable throttle valve 34 is arranged.

Die Steuerung der Brennkraftmaschine 10 sowie verschiedener Komponenten der Abgasanlage 12 erfolgt über ein Motorsteuergerät 28, in das üblicherweise Signale von nicht dargestellten Gas- und Temperatursensoren der Abgasanlage 12 eingehen. Weiterhin werden von der Motorsteuerung 36 verschiedene Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 erfasst, beispielsweise Motordrehzahl, Kühlmitteltemperatur oder ein Pedalwert des Fahrpedals. In Abhängigkeit von den eingehenden Parametern steuert die Motorsteuerung 28 den Betrieb des Motors 10, beispielsweise Kraftstoffeinspritzmengen und Einspritzzeitpunkte, die Stellung der Drosselklappe 26 sowie die Reduktionsmittelzudosiereinheit 22.Internal combustion engine 10 and various components of exhaust system 12 are controlled by an engine control unit 28, which usually receives signals from gas and temperature sensors in exhaust system 12, which are not shown. Furthermore, various operating parameters of the internal combustion engine 10 are recorded by the engine controller 36, for example engine speed, coolant temperature or a pedal value of the accelerator pedal. Depending on the incoming parameters, engine control 28 controls the operation of engine 10, for example fuel injection quantities and injection times, the position of throttle valve 26 and reducing agent metering unit 22.

Der dauernde Magerbetrieb der Brennkraftmaschine 10 führt zu einer unerwünschten Oxidation der Edelmetalle der Abgasnachbehandlungskomponenten 16, 18, 20, was zu einer Verschlechterung ihrer Aktivität führt. Um dies zu vermeiden erfolgt eine Reaktivierung der Abgasnachbehandlungskomponenten 16, 18, 20 gemäß einem Programmalgorithmus 30, der in der Motorsteuerung 28 gespeichert ist. Der Programmalgorithmus 30 steuert die erfindungsgemäße Reaktivierung in nachfolgend beschriebener Weise.The continuous lean operation of internal combustion engine 10 leads to undesired oxidation of the noble metals of exhaust gas aftertreatment components 16, 18, 20, which leads to a deterioration in their activity. In order to avoid this, exhaust gas aftertreatment components 16 , 18 , 20 are reactivated according to a program algorithm 30 that is stored in engine control 28 . The program algorithm 30 controls the reactivation according to the invention in the manner described below.

Nach festgelegten Magerintervallen von bevorzugt 20 bis 60 Minuten Dauer, insbesondere von etwa 30 Minuten wird eine Reaktivierung der Abgasnachbehandlungskomponenten 16, 18, 20 eingeleitet. Zur Durchführung der Reaktivierung werden die zu reaktivierenden Komponenten 16, 18, 20 mit einer reduzierenden Abgasatmosphäre beaufschlagt, welche durch die Parameter Abgaslambdawert, Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente und Dauer der Reaktivierung bestimmt wird. Insbesondere wird im vorliegenden Beispiel ein leicht unterstöchiometrischer Lambdawert des Abgases mit λ = 0,98...1,0 eingestellt. Um dies zu erreichen, wird die Brennkraftmaschine 10 kurzfristig auf einen fetten Betrieb umgestellt. Dies erfolgt, indem beispielsweise die Ansaugluft durch entsprechende Schließung der Drosselklappe gedrosselt wird. Alternativ oder zusätzlich kann eine Abgasrückführungsrate erhöht werden, wofür ein nicht dargestelltes Abgasrückführventil geöffnet (äußere AGR) oder Ventilüberschneidungen der Brennkraftmaschine 10 vergrößert werden (innere AGR). Eine weitere allein oder kombinierbar einsetzbare Maßnahme ist die Nacheinspritzung von Kraftstoff in die Zylinder der Brennkraftmaschine 10 zu einem späten Zeitpunkt, an dem keine vollständige Verbrennung mehr erfolgt, wobei die Nacheinspritzung vor und/oder nach einem Brennende erfolgen kann.After defined lean intervals of preferably 20 to 60 minutes, in particular about 30 minutes, reactivation of the exhaust gas aftertreatment components 16, 18, 20 is initiated. To carry out the reactivation, the components 16, 18, 20 to be reactivated are subjected to a reducing exhaust gas atmosphere, which is determined by the parameters exhaust gas lambda value, temperature of the exhaust gas aftertreatment component and duration of the reactivation. In particular, a slightly sub-stoichiometric lambda value of the exhaust gas with λ=0.98...1.0 is set in the present example. In order to achieve this, internal combustion engine 10 is briefly switched to rich operation. This is done, for example, by throttling the intake air by closing the throttle valve accordingly. Alternatively or additionally, an exhaust gas recirculation rate can be increased, for which purpose an exhaust gas recirculation valve (not shown) is opened (external EGR) or valve overlaps of internal combustion engine 10 are increased (internal EGR). Another measure that can be used alone or in combination is the post-injection of fuel into the cylinders of internal combustion engine 10 at a late point in time at which complete combustion no longer takes place, with the post-injection being able to take place before and/or after the end of combustion.

Als weiterer Parameter der Reaktivierung wird eine Mindesttemperatur der Komponente 16, 18, 20 gefordert, um die Reaktivierungsdauer möglichst kurz und das Abgaslambda möglichst wenig fett halten zu können. Hierfür wird bevorzugt eine Temperatur der zu aktivierenden Komponente 16, 18, 20 von mindestens 450 °C, insbesondere mindestens 500 °C gewählt. Um dies zu erreichen, wird die Reaktivierung (im Rahmen der vorstehend beschriebenen Magerintervalle) möglichst zeitnah im Anschluss einer erfolgten Regeneration des Partikelfilters 18 durchgeführt. Vorzugsweise wird die Reaktivierung spätestens 60 Sekunden nach Abschluss der Partikelfilterregeneration eingeleitet.A minimum temperature of components 16, 18, 20 is required as a further reactivation parameter in order to be able to keep the reactivation period as short as possible and the exhaust gas lambda as little rich as possible. A temperature of at least 450° C., in particular at least 500° C., is preferably selected for the component 16, 18, 20 to be activated for this purpose. In order to achieve this, the reactivation (within the scope of the lean intervals described above) is carried out as promptly as possible after the particle filter 18 has been regenerated. The reactivation is preferably initiated no later than 60 seconds after the end of the particle filter regeneration.

Die Beaufschlagung der Abgasnachbehandlungskomponenten 16, 18, 20 mit dem leicht unterstöchiometrischen Abgas bei der angegebenen Mindesttemperatur wird über eine Reaktivierungsdauer von insbesondere mindestens 20 s, vorzugsweise mindestens 30 s durchgeführt.The exhaust gas aftertreatment components 16, 18, 20 are subjected to the slightly substoichiometric exhaust gas at the specified minimum temperature over a reactivation period of in particular at least 20 s, preferably at least 30 s.

Untersuchungen haben belegt, dass es mit diesen beispielhaften Parametern gelingt, Edelmetalloxide, die sich im Laufe des Dauermagerbetriebs der Brennkraftmaschine 10 bilden, zu einem großen Teil wieder in die elementaren Edelmetalle zu überführen und somit ihre ursprüngliche Aktivität wiederherzustellen.Investigations have shown that with these exemplary parameters it is possible to convert noble metal oxides, which form in the course of long-term lean operation of internal combustion engine 10, to a large extent back into the elementary noble metals and thus restore their original activity.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Brennkraftmaschineinternal combustion engine
1212
Abgasanlageexhaust system
1414
Abgaskanalexhaust duct
1616
Oxidationskatalysatoroxidation catalyst
1818
Partikelfilterparticle filter
2020
SCR-KatalysatorSCR catalytic converter
2222
Zudosiereinheitdosing unit
2424
Ansaugkanalintake duct
2626
Drosselklappethrottle
2828
Motorsteuergerätengine control unit
3030
Programmalgorithmusprogram algorithm

Claims (13)

Verfahren zur Reaktivierung von edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponenten (16, 18, 20) in Abgasanlagen (12) mit zumindest einer edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponente (16, 18, 20) von Brennkraftmaschinen (10), die in ihrem gesamten Last- und Drehzahlbereich mager betrieben werden, wobei zur Reaktivierung von zumindest einer der edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponenten (16, 18, 20) diese temporär mit einer reduzierenden Abgasatmosphäre beaufschlagt wird, die zumindest kurzfristig einen Lambdawert (λ) von höchstens 1,2 aufweist, unter Bedingungen, die geeignet sind, oxidische Edelmetallverbindungen zumindest teilweise zu reduzieren, und wobei die Beaufschlagung mit der reduzierenden Abgasatmosphäre spätestens 1000 Sekunden nach einer Regeneration eines in der Abgasanlage (12) angeordneten Partikelfilters (18) beginnt.Method for reactivating exhaust gas aftertreatment components (16, 18, 20) containing precious metals in exhaust systems (12) with at least one exhaust gas aftertreatment component (16, 18, 20) containing precious metals of internal combustion engines (10) which are operated lean over their entire load and speed range, with Reactivation of at least one of the exhaust gas aftertreatment components (16, 18, 20) containing precious metals, these are temporarily exposed to a reducing exhaust gas atmosphere, which at least briefly has a lambda value (λ) of at most 1.2, under conditions which are suitable for at least partially reducing oxidic precious metal compounds, and wherein the Exposure to the reducing exhaust gas atmosphere begins no later than 1000 seconds after regeneration of a particle filter (18) arranged in the exhaust system (12). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasatmosphäre durch Fettbetrieb der Brennkraftmaschine (10) dargestellt wird.procedure after claim 1 , characterized in that the exhaust gas atmosphere is represented by rich operation of the internal combustion engine (10). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fettbetrieb der Brennkraftmaschine (10) durch zumindest eine der Maßnahmen erfolgt: - Androsselung der Brennkraftmaschine (10), - Erhöhung einer Abgasrückführungsrate und - Kraftstoffnacheinspritzung vor und/oder nach einem Ende der Kraftstoffverbrennung.procedure after claim 2 , characterized in that the rich operation of the internal combustion engine (10) is carried out by at least one of the measures: - throttling the internal combustion engine (10), - increasing an exhaust gas recirculation rate and - post-fuel injection before and/or after the end of fuel combustion. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierende Abgasatmosphäre einen Lambdawert des Abgases von λ ≤ 1,1, insbesondere von λ ≤ 1,05, umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reducing exhaust gas atmosphere comprises a lambda value of the exhaust gas of λ ≤ 1.1, in particular of λ ≤ 1.05. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierende Abgasatmosphäre einen leicht unterstöchiometrischen Lambdawert des Abgases von λ ≤ 1,0, insbesondere von λ ≤ 0,98, vorzugsweise von λ ≤ 0,95 umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reducing exhaust gas atmosphere comprises a slightly sub-stoichiometric lambda value of the exhaust gas of λ ≤ 1.0, in particular of λ ≤ 0.98, preferably of λ ≤ 0.95. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung mit der reduzierenden Abgasatmosphäre für eine Dauer von mindestens 5 s, insbesondere von mindestens 10 s, vorzugsweise von mindestens 20 s, besonders bevorzugt von mindestens 30 s, erfolgt.procedure after claim 5 , characterized in that the treatment with the reducing exhaust gas atmosphere takes place for a period of at least 5 s, in particular at least 10 s, preferably at least 20 s, particularly preferably at least 30 s. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung mit der reduzierenden Abgasatmosphäre bei einer Temperatur der zumindest einen edelmetallhaltigen Abgasnachbehandlungskomponente (16, 18, 20) von mindestens 200 °C, insbesondere von mindestens 300 °C, vorzugsweise von mindestens 400 °C, besonders bevorzugt von mindestens 500 °C, erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the treatment with the reducing exhaust gas atmosphere takes place at a temperature of the at least one noble metal-containing exhaust gas aftertreatment component (16, 18, 20) of at least 200 °C, in particular at least 300 °C, preferably at least 400 °C C, particularly preferably at least 500 °C. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beaufschlagung mit der reduzierenden Abgasatmosphäre spätestens 300 Sekunden, vorzugsweise spätestens 60 Sekunden nach einer Regeneration des Partikelfilters (18) beginnt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the application of the reducing exhaust gas atmosphere begins no later than 300 seconds, preferably no later than 60 seconds, after a regeneration of the particle filter (18). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktivierung nach Magerintervallen von 3 bis 600 Minuten, insbesondere von 5 bis 300 Minuten, vorzugsweise von 10 bis 120 Minuten, besonders bevorzugt von 20 bis 60 Minuten durchgeführt wird.Process according to one of the preceding claims, characterized in that the reactivation is carried out after lean intervals of 3 to 600 minutes, in particular 5 to 300 minutes, preferably 10 to 120 minutes, particularly preferably 20 to 60 minutes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierende Abgasatmosphäre HC-Massenströme von mindestens 10 g/s HC, insbesondere mindestens 20 g/s HC, umfasst und/oder CO-Massenströme von mindestens 50 g/s CO, insbesondere mindestens 100 g/s CO.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the reducing exhaust gas atmosphere comprises HC mass flows of at least 10 g/s HC, in particular at least 20 g/s HC, and/or CO mass flows of at least 50 g/s CO, in particular at least 100 g/s CO. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine (10) ein stationärer oder instationärer Dieselmotor ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the internal combustion engine (10) is a stationary or transient diesel engine. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine edelmetallhaltige Abgasnachbehandlungskomponente (16, 18, 20) eine der Komponenten umfasst: - Oxidationskatalysator (16), - Partikelfilter (18), - SCR-Katalysator (20), - CRT-Katalysator, - NH3-Sperrkatalysator und - HC-Falle.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one noble metal-containing exhaust gas aftertreatment component (16, 18, 20) comprises one of the components: - oxidation catalytic converter (16), - particle filter (18), - SCR catalytic converter (20), - CRT Catalyst, - NH 3 barrier catalyst and - HC trap. Steuereinheit, insbesondere Motorsteuergerät (28) zur Steuerung eines Kraftfahrzeugs, mit einem Programmalgorithmus (30), der zur Steuerung der Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist.Control unit, in particular engine control unit (28) for controlling a motor vehicle, with a program algorithm (30) for controlling the implementation of a method according to one of Claims 1 until 12 is set up.
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