DE10202935A1

DE10202935A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entschwefelung eines Vorkatalysators

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Publication number: DE10202935A1
Application number: DE10202935A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Matthias Holz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-01-14
Filing date: 2002-01-14
Publication date: 2003-08-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entschwefeln zumindest eines in einem Abgaskanal (14) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten Vorkatalysators (16), dem mindestens ein weiterer Katalysator (18), insbesondere ein NO¶x¶-Speicherkatalysator, nachgeschaltet ist, sowie eine Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es ist vorgesehen, dass bei Erreichen oder mit einem vorgebbaren Vorlauf vor Erreichen einer Temperatur des Vorkatalysators (16), die größer oder gleich einer minimalen Schwefel-Desorptionstemperatur des Vorkatalysators (16) ist, DOLLAR A (a) in einer ersten Phase (T¶1¶) die Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem ersten fetten Verbrennungslambda (lambda¶F1¶) so lange betrieben wird, bis ein Sauerstoffspeicher des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist und DOLLAR A (b) in einer anschließenden zweiten Phase (T¶2¶) die Verbrennungskraftmaschine (10) alternierend in Magerintervallen (Ð¶M¶) mit einem mageren Verbrennungslambda (lambda¶M¶) und in Fettintervallen (Ð¶F¶) mit einem zweiten festen Verbrennungslambda (lambda¶F2¶) betrieben wird, wobei die Magerintervalle (Ð¶M¶) und/oder die Fettintervalle (Ð¶F¶) zeitgesteuert bemessen werden, derart, dass in den Vorkatalysator (16) eingelagerter Schwefel zu mindestens 25% in Form von Schwefeldioxid (SO¶2¶) ausgetrieben wird. DOLLAR A Die Erfindung reduziert eine Entschwefelungshäufigkeit des Hauptkatalysators (18) und ermöglicht die gezielte Auslegung des ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entschwefelung eines Vorkatalysators von Verbrennungskraftmaschinen mit den in den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1 und 31 genannten Merkmalen.
Bekannte, zur Abgasreinigung eingesetzte Katalysatorsysteme umfassen häufig mindestens einen motornah angeordneten, kleinvolumigen Vorkatalysator und mindestens einen 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, die in mageren Betriebsphasen, in denen die Verbrennungskraftmaschine mit einem sauerstoffreichen Luft- Kraftstoff-Gemisch mit λ > 1 beaufschlagt wird, nicht konvertierbare Stickoxide NO_x in Form von Nitrat einspeichert und diese in zwischengeschalteten fetten Regenerationsintervallen wieder freisetzt und reduziert. 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 speichern. Aufgrund seiner hohen thermischen Stabilität wird das Sulfat im Zuge der regelmäßig erfolgenden NO_x-Regenerationen nicht aus dem Speicher entfernt. Die Folge ist eine schleichende Desaktivierung der NO_x-Speicherfähigkeit des Speicherkatalysators (Schwefelvergiftung), welche eine Entwicklung verschiedener Entschwefelungsverfahren für NO_x-Speicherkatalysatoren erforderlich gemacht hat. Zur Entschwefelung wird der Katalysator bei Katalysatortemperaturen von mindestens 600°C mit einer fetten Abgasatmosphäre beaufschlagt, um das eingespeicherte Sulfat zu desorbieren und hauptsächlich zu SO₂ und Schwefelwasserstoff H₂S zu reduzieren. Um einer Emission des geruchsintensiven H₂S entgegenzuwirken, ist ferner etwa aus der DE 198 27 195 A oder der DE 198 35 808 A bekannt, statt der kontinuierlichen Fettbeaufschlagung des NO_x- Speicherkatalysators die Entschwefelung in alternierenden Mager-Fett-Intervallen durchzuführen. Bei geeigneter Intervallauslegung lässt sich so die gegenüber der SO₂- Bildung langsamere H₂S-Bildung nahezu vollständig unterdrücken.

Neben der Verschwefelung von NO_x-Speicherkomponenten kommt es - allerdings in geringerem Ausmaß - auch zu einer Einlagerung von Schwefel in andere Komponenten des Katalysatorsystems. Dieses sind im Wesentlichen Edelmetalle (Pt, Pd, Rh) der katalytischen Beschichtungen sowie Sauerstoff speichernde Komponenten OSC ("oxygen storage components"). Bei Katalysatortemperaturen, die oberhalb einer komponentenspezifischen Schwefel-Desorptionstemperatur liegen (etwa 400 bis 450°C bei OSC und etwa 500°C bei Edelmetallen), und unter einer fetten Abgasatmosphäre kommt es zu einer Austreibung des eingelagerten Schwefels. Nachteilig hieran ist, dass der aus dem Vorkatalysator in Form von H₂S und SO₂ freigesetzte Schwefel zum Teil von dem nachgeschalteten Hauptkatalysator aufgrund des dort vorhandenen Sauerstoffs wieder eingelagert wird. Handelt es sich bei diesem um einen NO_x-Speicherkatalysator, erfolgt die Einlagerung praktisch vollständig. Die Folge ist eine häufige Entschwefelungsnotwendigkeit des Hauptkatalysators und ein hierdurch verursachter hoher Kraftstoffmehrverbrauch.

Aus der älteren Patentanmeldung DE 100 59 791.2 ist ein Verfahren zur Entschwefelung eines Vorkatalysators bekannt, bei dem der eingelagerte Schwefel überwiegend in Form von Schwefelwasserstoff H₂S ausgetrieben wird, welcher unter den vorherrschenden Betriebsbedingungen, insbesondere bei einem sauerstofffreien Hauptkatalysator, nicht in den nachgeschalteten Hauptkatalysator einlagert, sondern diesen überwiegend passiert. Dafür wird die Verbrennungskraftmaschine zunächst so lange mit einem fetten Verbrennungslambda betrieben, bis der Hauptkatalysator weitgehend sauerstofffrei ist. Anschließend wird bei einem nur leicht fetten Verbrennungslambda der in dem Vorkatalysator eingelagerte Schwefel ausgetrieben. Da zu diesem Zeitpunkt der Hautkatalysator sauerstofffrei ist, kann der so ausgetriebene Schwefel nicht durch den Hauptkatalysator oxidiert und eingelagert werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist ein gewisser, mit dem fetten Betriebsmodus einhergehender Durchbruch der Reduktionsmittel HC und CO sowie die Emission von H₂S.

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 und eine Schadstoffemission von H₂S, HC und CO möglichst weit reduziert. Ferner soll eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete und möglichst kostengünstige Vorrichtung vorgeschlagen werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entschwefelung mindestens eines in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine angeordneten Vorkatalysators, dem mindestens ein weiterer Katalysator, insbesondere ein NO_x- Speicherkatalysator, nachgeschaltet ist, mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 31 gelöst. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass bei Erreichen oder mit einem vorgebbaren Vorlauf vor Erreichen einer Temperatur des Vorkatalysators, die größer oder gleich einer minimalen Schwefel-Desorptionstemperatur des Vorkatalysators ist,

a) in einer ersten Phase die Verbrennungskraftmaschine mit einem ersten fetten Verbrennungslambda so lange betrieben wird, bis ein Sauerstoffspeicher des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators zumindest weitgehend sauerstofffrei ist, und
b) in einer anschließenden zweiten Phase die Verbrennungskraftmaschine alternierend in Magerintervallen mit einem mageren Verbrennungslambda und in Fettintervallen mit einem zweiten fetten Verbrennungslambda betrieben wird, wobei die Magerintervalle und/oder die Fettintervalle zeitgesteuert bemessen werden derart, dass in den Vorkatalysator eingelagerter Schwefel zu mindestens 25%, insbesondere mindestens 50%, in Form von Schwefeldioxid ausgetrieben wird.

Das Verfahren macht sich den Umstand zunutze, dass schwefelhaltige Abgaskomponenten, wie Schwefeldioxid SO₂, die unter einer fetten, sauerstoffarmen Abgasatmosphäre aus dem Vorkatalysator freigesetzt werden, in nennenswertem Umfang nur in Gegenwart von Sauerstoff in Sauerstoff speichernde Komponenten und/oder in einen NO_x-Speicher des nachgeschalteten Katalysators eingespeichert werden, da die Speicherung in Form von Sulfat zunächst eine Oxidation des Schwefels in die sechswertige Oxidationsstufe erfordert. Daher erfolgt die Entschwefelung des Vorkatalysators in zwei Phasen, wobei in der ersten Phase des Verfahrens Sauerstoff aus dem gesamten Katalysatorsystem, insbesondere aus dem Sauerstoffspeicher des nachgeschalteten Katalysators, weitgehend entfernt wird und in der zweiten Phase der eigentliche Schwefelaustrieb aus den Vorkatalysator, speziell in Form von SO₂, erfolgt.

In der zweiten Phase erfolgt eine wechselnde Beaufschlagung des Vorkatalysators mit einer mageren und fetten Abgasatmosphäre. Diese alternierende Mager-Fett-Beaufschlagung hat gegenüber einer kontinuierlichen Fettbeaufschlagung den Vorteil, dass durch die zwischengeschalteten Magerintervalle stets eine gewisse Menge Sauerstoff in den Vorkatalysator eingetragen wird und somit der in den Fettintervallen freigesetzte Schwefel überwiegend in Form von SO₂ ausgetragen wird. Hingegen kann eine Entstehung von geruchsbelästigendem Schwefelwasserstoff (H₂S) auf diese Weise weitgehend unterdrückt werden. Dabei werden die Magerintervalle so ausgelegt, dass praktisch kein Sauerstoffdurchbruch durch den Vorkatalysator erfolgt, um eine erneute Sauerstoffeinlagerung in den oder die nachgeschalteten Katalysator/en zu vermeiden.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Zeitsteuerung der Mager- und Fettintervalle kann auf einen Einsatz einer dem Vorkatalysator nachgeschalteten Messeinrichtung, etwa einer Lambdasonde, verzichtet werden, wodurch das Verfahren sich besonders kostengünstig realisieren lässt. Dennoch kann eine optimale Auslegung der Intervalle hinsichtlich einer möglichst niedrigen Wiedereinlagerungsrate des freigesetzten Schwefels in den nachgeschalteten Katalysator und einer niedrigen Reduktionsmittel- und H₂S-Emission erfolgen, indem anhand einer stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators gemessenen Sauerstoffkonzentration des Abgases in noch zu erläuternder Weise die Vorgaben für die Dauern der Mager- und Fettintervalle überprüft und gegebenenfalls adaptiert werden.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden für die Dauern zumindest eines ersten Magerintervalls und/oder zumindest eines ersten Fettintervalls in der zweiten Phase der Entschwefelung zunächst variable Vorsteuerwerte vorgegeben, die vorzugsweise in Abhängigkeit einer Sauerstoffspeicherkapazität des Vorkatalysators bestimmt und in betriebspunktabhängigen Kennfeldern gespeichert werden. Dabei wird die Sauerstoffspeicherkapazität des Vorkatalysators, das heißt seine maximal einspeicherbare Sauerstoffmenge, in Abhängigkeit einer Sauerstoffspeicherkapazität des gesamten Katalysatorsystems und in Abhängigkeit eines bekannten Verhältnisses der Sauerstoffspeicherkapazitäten des Vorkatalysators und des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators ermittelt. Für die Gesamt-Sauerstoffspeicherkapazität kann auf die bekannten Werte eines frischen Katalysatorsystems, das heißt eines sauerstoff- und schwefelfreien und unbeschädigten Katalysatorsystems, zurückgegriffen werden. Aufgrund der höheren Genauigkeit ist jedoch bevorzugt vorgesehen, eine aktuelle, aufgrund von Alterungsprozessen zumeist reduzierte Sauerstoffspeicherkapazität des gesamten Katalysatorsystems vor Beginn und/oder während der zweiten Phase des Verfahrens zu bestimmen, um die aktuelle Sauerstoffspeicherkapazität des Vorkatalysators mit Hilfe des bekannten und als konstant angenommenen Kapazitätenverhältnisses zu ermitteln.

Die Dauern der Magerintervalle der zweiten Phase werden vorzugsweise derart bemessen, dass während eines Magerintervalls möglichst viel Sauerstoff in den Vorkatalysator bei gleichzeitig möglichst geringem Sauerstoffdurchbruch durch den Vorkatalysator eingelagert wird. Dies ist erforderlich, um einen Sauerstoffeintrag in den nachgeschalteten Katalysator mit der Folge einer nachfolgenden Schwefelumlagerung in den nachgeschalteten Katalysator zu vermeiden. Vorzugsweise wird während der Dauer eines Magerintervalls der Sauerstoffspeicher des Vorkatalysators zu mindestens 30% und maximal 99%, insbesondere zu mindestens 50% und maximal 95%, mit Sauerstoff aufgefüllt. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass ein Ende des Magerintervalls im Wesentlichen spätestens einem Zeitpunkt entspricht, an dem ein Durchbruch mageren Abgases durch den Vorkatalysator einsetzt.

Auf der anderen Seite wird eine Dauer eines Fettintervalls vorzugsweise so bemessen, dass während des Fettintervalls der in den Vorkatalysator eingelagerte Schwefel überwiegend in Form von Schwefeldioxid SO₂ ausgetrieben wird. Dafür sollte vorteilhaft ein Ende des Fettintervalls im Wesentlichen einem Zeitpunkt entsprechen, an dem der Sauerstoffspeicher des Vorkatalysators weitgehend entleert, also sauerstofffrei ist.

Für die Ermittlung der Sauerstoffspeicherkapazität des gesamten Katalysatorsystems, das heißt der Summe der einzelnen maximalen Sauerstoffspeicherkapazitäten der einzelnen Katalysatoren, können unterschiedliche, auch kombiniert miteinander anwendbare Strategien zum Einsatz kommen. Nach einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens erfolgt die Bestimmung in Abhängigkeit einer Zeitspanne, die bei praktisch maximal sauerstoffbeladenem Katalysatorsystem vergeht, ehe nach einem Umschalten der Verbrennungskraftmaschine von einem mageren in einen fetten Betriebsmodus erstmalig fettes Abgas stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators detektiert wird. Dabei können zusätzlich noch aktuelle Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine, etwa eine Motorlast- oder -drehzahl, zur Bestimmung der Gesamt- Sauerstoffspeicherkapazität herangezogen werden. Diese Art der Bestimmung kann besonders vorteilhaft am Ende der ersten Phase und vor Einsetzen der alternierenden Abgasbeaufschlagung der zweiten Phase durchgeführt werden. Vorzugsweise wird hierfür das Katalysatorsystem zunächst mit leicht magerem Abgas, insbesondere mit λ = 1,005 bis 1,05, mindestens so lange beaufschlagt, bis stromab des nachgeschalteten Katalysators erstmalig mageres Abgas detektiert wird. Anschließend wird die Verbrennungskraftmaschine auf ein leicht fettes Abgaslambda umgeschaltet, insbesondere auf einen Lambdawert zwischen 0,95 bis 0,995, bis erstmalig fettes Abgas stromab des nachgeschalteten Katalysators detektiert wird. Aus dem Zeitverzug zwischen Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine von mager auf fett bis zum Durchbruch des fetten Abgases durch den nachgeschalteten Katalysator kann dann die Gesamt-Sauerstoffspeicherkapazität ermittelt werden. Diese Vorgehensweise hat zudem den Vorteil, dass der nachgeschaltete Katalysator anschließend zumindest nahezu sauerstofffrei ist, so dass bei der nachfolgenden Schwefelaustreibung aus dem Vorkatalysator keine Wiedereinlagerung in den nachgeschalteten Katalysator erfolgt. Es ist daher vorteilhaft, diese Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität des Gesamtsystems vor Erreichen der minimalen Schwefel- Desorptionstemperatur des Vorkatalysators, insbesondere etwa 20 K unterhalb dieser Temperatur, durchzuführen. Bei dieser Art der Bestimmung der aktuellen Gesamt- Sauerstoffspeicherkapazität können die betriebspunktabhängig gespeicherten Vorsteuerwerte noch vor Einsetzen der alternierenden Mager-Fett-Beaufschlagung verifiziert und gegebenenfalls korrigiert werden. Auf diese Weise ist eine besonders wirksame Unterdrückung der H₂S-Emission sowie der Sauerstoffbeaufschlagung des nachgeschalteten Katalysators möglich.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt zusätzlich oder alternativ eine Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität des Gesamt-Katalysatorsystems während der zweiten Phase der Entschwefelung, das heißt während der alternierenden Mager- und Fettintervalle. Dabei wird nach einem Fettintervall, also bei nahezu sauerstofffreiem Katalysatorsystem, ein verlängertes Magerintervall durchgeführt, und die Zeitspanne ausgewertet, die zwischen Umschalten der Verbrennungskraftmaschine in den Magerbetrieb und Detektion mageren Abgases stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators oder Überschreitung eines vorgebbaren Magerschwellenwertes vergeht. Dieser Magerschwellenwert wird dabei derart ausgelegt, dass der Zeitpunkt seiner Überschreitung mit einer zumindest annähernd vollständigen Auffüllung des Sauerstoffspeichers des nachgeschalteten Katalysators korreliert.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt während der alternierenden Mager- und Fettbeaufschlagung in der zweiten Phase eine zusätzliche Prüfung und Adaption des Vorsteuerwertes der Fettintervalle. Dafür wird eine Zeitspanne zwischen Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine von einem Fettintervall in ein Magerintervall und Unterschreitung eines vorgegebenen Fettschwellenwertes durch das fallende Abgaslambda stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators in Richtung fetterer Lambdawerte gemessen und ausgewertet. Dabei wird der Fettschwellenwert derart ausgelegt, dass der Zeitpunkt seiner Unterschreitung mit einer zumindest annähernd vollständigen Entleerung des Sauerstoffspeichers des Vorkatalysators korreliert.

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 Lambdawerte führen zu einem besonders schnellen und erschöpfenden Sauerstoffaustrag aus dem Katalysatorsystem. Für die Vorgabe des zweiten fetten Verbrennungslambdas der Fettintervalle haben sich hingegen leicht fette Lambdawerte besonders bewährt. Insbesondere führen Lambdawerte von 0,93 bis 0,995, vorzugsweise von 0,97 bis 0,99, zu besonders niedrigen Schadstoffdurchbrüchen und zu einer praktisch vollständigen Unterdrückung von H₂S. Die Magerintervalle der zweiten Phase betragen bevorzugt zwischen 1,0 und 1,2, insbesondere zwischen 1,02 und 1,04.

Eine Sauerstoffspeicherkapazität des nachgeschalteten Katalysators sollte nach der ersten Phase der Sauerstoffentleerung höchstens zu 20%, vorzugsweise zu weniger als 10%, belegt sein. Der Verlauf der Sauerstoffaustragung kann in einfacher Weise mittels einer stromab des nachgeschalteten Katalysators angeordneten sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung überwacht werden. Dabei kann es sich etwa um eine Lambdasonde oder, insbesondere im Falle eines NO_x-Speicherkatalysators, um einen mit einer Lambdamessfunktion ausgestatteten NO_x-Sensor handeln. Während dieser ersten Phase muss der Vorkatalysator noch nicht zwingend seine Schwefel-Desorptionstemperatur erreicht haben.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, die zweite Phase so lange aufrecht zu halten, bis der Vorkatalysator zumindest weitgehend schwefelfrei ist, ehe die Entschwefelung beendet und die Verbrennungskraftmaschine wieder in den regulären Betriebsmodus geschaltet wird. Dafür kann etwa der Schwefeleintrag und/oder der Schwefelaustrag des Vorkatalysators kontinuierlich modelliert werden, so dass eine Schwefel-Gesamtbeladung 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 vorgegebene, beispielsweise weitgehend vollständige Schwefelentleerung des Vorkatalysators anzeigt. Die Modellierung des Schwefeleintrags und des Schwefelaustrags kann in bekannter, hier nicht näher zu erläuternder 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 Motordrehzahl, einer eingespritzten Kraftstoffmenge, der aktuellen Vorkatalysatortemperatur, einer Dynamik der Vorkatalysatortemperatur, der modellierten Schwefelbeladung des Vorkatalysators und/oder einer Sauerstoffspeicheraktivität des Vorkatalysators.

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. Auf diese Weise kann die Entschwefelung des Vorkatalysators mit geringstem Kraftstoffverbrauch durchgeführt werden. Im Falle eines als NO_x-Speicherkatalysator ausgestalteten Hauptkatalysators kann insbesondere ein NO_x- Regenerationsintervall zur erfindungsgemäßen Entschwefelung des Vorkatalysators genutzt werden oder die Entschwefelung in unmittelbarem Anschluss an die Regeneration durchgeführt werden. Denkbar ist jedoch auch, Fettintervalle einer so genannten Zwangsamplitude eines stöchiometrischen Betriebes (λ = 1) bei 3-Wege- Katalysatorsystemen zu nutzen.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des Verfahrens sieht vor, eine Schubabschaltung insbesondere in einem Betriebspunkt, bei dem ein durch einen Fahrer angefordertes Fahrwunschmoment kleiner als ein Schubmoment des Fahrzeuges ist, und/oder in Schaltpausen während eines Gangwechsels bei Getrieben mit Zugkraftunterbrechung während der Entschwefelung des Vorkatalysators zu unterdrücken. Auf diese Weise kann eine Beaufschlagung des Abgassystems mit dem sehr sauerstoffreichen Abgas der Schubabschaltung verhindert werden.

Die Erfindung umfasst ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die eine stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (Hauptkatalysators) angeordnete sauerstoffempfindliche Messeinrichtung vorsieht, und Mittel, mit denen die geschilderten Verfahrensschritte ausführbar sind. Diese Mittel umfassen eine Steuereinheit, in der ein Algorithmus zur Durchführung des Verfahrens in digitaler Form hinterlegt ist. Diese Steuereinheit kann besonders vorteilhaft auch in eine Motorsteuerung integriert sein.

Nach einer besonders bevorzugten Ausbildung der Vorrichtung ist der Vorkatalysator mit einer Speicherkomponente ausgestattet, die eine reversible Einlagerung von Schwefel aus einem mageren Abgas erlaubt. Durch die Verwendung einer solchen "Schwefelfalle", die in regelmäßigen Abständen durch das erfindungsgemäße Verfahren entschwefelt wird, wird erstmalig ein gezielter Schutz eines nachgeschalteten Katalysators, insbesondere eines NO_x-Speicherkatalysators, vor der für diesen besonders nachteiligen Schwefelvergiftung erzielt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Blockdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer Abgasanlage und
Fig. 2 zeitliche Verläufe eines motorischen Lambdawertes, eines stromab eines Vorkatalysators und stromab eines Hauptkatalysators nach Fig. 1 gemessenen Abgaslambdas sowie Verläufe der Sauerstoffbeladungen von Vor- und Hauptkatalysator während einer Entschwefelung des Vorkatalysators nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Der in Fig. 1 dargestellten Verbrennungskraftmaschine 10 ist eine insgesamt mit 12 bezeichnete Abgasanlage zugeordnet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist besonders vorteilhaft mit einer nicht dargestellten Direkteinspritzung ausgestattet, mit welcher über Hochdruckeinspritzventile ein den Zylindern zuzuführender Kraftstoff direkt in die Zylinderbrennräume eingespritzt wird. Ferner ist die Verbrennungskraftmaschine 10 vorzugsweise schichtladefähig, wobei in einem Schichtladebetrieb sich der eingespritzte Kraftstoff zu einem Zündzeitpunkt im Wesentlichen im Bereich einer Zündkerze eines Zylinders in Form einer Schichtladungswolke konzentriert. Im Schichtladebetrieb lassen sich besonders magere Luft-Kraftstoff-Gemische darstellen, wodurch ein sehr niedriger Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.
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 Hauptkatalysator, insbesondere im Falle einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine 10 ein NO_x-Speicherkatalysator 18, angeordnet ist. Der Vorkatalysator 16 ist ferner mit einer Schwefel-Speicherkomponente 20 ausgestattet, die in der Lage ist, in mageren Betriebsphasen der Verbrennungskraftmaschine 10 schwefelhaltige Abgaskomponenten einzulagern. Geeignete, an sich bekannte Schwefel-Speicherkomponenten umfassen beispielsweise Bariumsalze. Dabei kann die Speicherkomponente 20 den katalytischen Bestandteilen der Beschichtung in homogener Verteilung zugemischt sein oder als räumlich separierter Katalysatorbestandteil ausgestaltet sein.
Neben dem Katalysatorsystem 16, 18 beherbergt der Abgaskanal 14 verschiedene Gassensoren 22, 24, die eine Konzentration mindestens einer Abgaskomponente im Abgas erfassen und der Regelung der Verbrennungskraftmaschine 10 dienen. Im Einzelnen ist stromauf des Speicherkatalysators 16 eine Lambdasonde 22, vorzugsweise eine Breitband- Lambdasonde, angeordnet. Diese misst eine Sauerstoffkonzentration des Abgases und dient der Regelung des der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführenden Luft-Kraftstoff- Gemisches (Verbrennungslambda). Ein weiterer Gassensor 24 ist eine sauerstoffempfindliche Messeinrichtung und ist stromab des NO_x-Speicherkatalysators 18 angeordnet. Hierbei kann es sich ebenfalls um eine Lambdasonde, insbesondere eine Sprungantwort-Lambdasonde, handeln oder aber, insbesondere wenn der Hauptkatalysator 18 wie hier ein NO_x-Speicherkatalysator ist, um einen NO_x-Sensor, der über eine Lambdamessfunktion verfügt. Die sauerstoffempfindliche Messeinrichtung 24 dient in noch zu erläuternder Weise der Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entschwefelung des Vorkatalysators 16 beziehungsweise seiner Schwefel- Speicherkomponente 20.
Der Abgaskanal 14 kann ferner Temperatursensoren beherbergen, die eine Abgas- oder eine Katalysatortemperatur messen. Die Katalysatortemperaturen können alternativ auch in Abhängigkeit geeigneter Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 modelliert werden. Alle, von den Sensoren bereitgestellten Signale sowie ausgewählte Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10 finden Eingang in eine Motorsteuerung 28, welche die Signale digitalisiert und weiterverarbeitet und einen Betriebsmodus der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere das Verbrennungslambda, den Schichtladebetrieb sowie eine Abgasrückführrate, in Abhängigkeit der Signale steuert. Eine Steuereinheit 26 ist in die Motorsteuerung 28 integriert und umfasst einen abgespeicherten Algorithmus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entschwefelung des Vorkatalysators 16.
Während eines mageren Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10, insbesondere eines mageren Schichtladebetriebes, werden im Kraftstoff enthaltene Schwefelkomponenten nahezu vollständig zu Schwefeldioxid SO₂ umgesetzt. Das SO₂ wird an den katalytischen Edelmetallkomponenten des Vorkatalysators 16 im sauerstoffreichen Abgas weiter oxidiert und lagert mit annähernd 100%igem Wirkungsgrad in die Speicherkomponente 20 oder in andere Schwefel speichernde Bestandteile des Vorkatalysators 16 in Form von Sulfat ein. Wird eine Temperatur des Vorkatalysators 16 erkannt, die annähernd einer Schwefel- Desorptionstemperatur der Speicherkomponente 20 entspricht oder diese in Kürze erreichen wird, leitet die Steuereinheit 26 eine Entschwefelung des Vorkatalysators 16 ein.
Die Steuerung des Verfahrens ist in Fig. 2 anhand der zeitlichen Verläufe des mit der Lambdasonde 22 gemessenen Verbrennungslambdas λ_mot (motorisches Lambda), des stromab des Vorkatalysators 16 vorliegenden (und im Laufe des Verfahrens nicht gemessenen) Abgaslambdas λ_nVK sowie des mit der Lambdasonde 24 stromab des Hauptkatalysators 18 gemessenen Abgaslambdas λ_nHK dargestellt. Zusätzlich zeigt der mittlere Teil der Fig. 2 den Verlauf einer aktuellen Sauerstoffbeladung O_VK des Vorkatalysators 19 und der untere Teil den Verlauf der Sauerstoffbeladung O_HK des NO_x- Speicherkatalysators 18.
Zunächst wird die Verbrennungskraftmaschine 10 im üblichen Schichtladebetrieb mit einem mageren Verbrennungslambda betrieben (oder gegebenenfalls im stöchiometrischen Homogenbetrieb). Mit einem gewissen Vorlauf vor Erreichen der Schwefel- Desorptionstemperatur des Vorkatalysators 16 wird eine erste Phase T₁ der Entschwefelung eingeleitet und die Verbrennungskraftmaschine 10 mit einem motorischen Lambda λ_mot entsprechend einem ersten fetten Verbrennungslambda λ_F1, welches vorzugsweise zwischen 0,8 und 0,9 liegt, betrieben (Zeitpunkt t₀).
Unmittelbar nach Umschalten der Verbrennungskraftmaschine 10 auf λ_F1 beginnt die Sauerstoffbeladung O_VK des Vorkatalysators 16, beginnend von einer einem maximalen Füllstand entsprechenden Sauerstoffspeicherkapazität OSC_VK des Vorkatalysators 16 zu fallen. In dieser Phase wird der eingelagerte Sauerstoff für die Oxidation der Reduktionsmittel (HC, CO) des Abgases verbraucht. Sobald der Sauerstoffspeicher des Vorkatalysators 16 entleert ist (O_VK = 0), bricht erstmalig fettes Abgas durch den Vorkatalysator 16, so dass das Abgaslambda λ_nVK stromab des Vorkatalysators 16 unter λ = 1 fällt. Infolgedessen beginnt auch die Entleerung des Sauerstoffspeichers des NO_x- Speicherkatalysators 18 und seine aktuelle O₂-Beladung O_HK sinkt ebenfalls bis auf 0. Erst dann wird stromab des NO_x-Speicherkatalysators 18 ein fettes Abgaslambda λ_nHK detektiert. Die erste Phase T₁ wird beendet, sobald das mit dem Gassensor 24 gemessene Abgaslambda λ_nHK stromab des NO_x-Speicherkatalysators 18 unterhalb eines ersten Fettschwellenwertes S_F1 fällt (Zeitpunkt t₁). Zu diesem Zeitpunkt ist sichergestellt, dass das gesamte Katalysatorsystem zumindest weitgehend oder vollständig sauerstofffrei ist, insbesondere die Sauerstoffbeladung O_HK des NO_x-Speicherkatalysators 18 höchstens 20%, insbesondere weniger als 10%, seiner maximalen Sauerstoffspeicherkapazität OSC_HK beträgt. Dabei ist S_F1 unter Berücksichtigung einer Abgaslaufzeit zwischen Verbrennungskraftmaschine 10 und NO_x-Speicherkatalysator 18 so ausgelegt, dass das nach Umschaltung zum Zeitpunkt t₁ vorliegende magere Abgas den NO_x- Speicherkatalysator 18 erreicht, wenn dieser vollständig sauerstofffrei ist.
In einer anschließenden zweiten Phase T₂, in welcher der Vorkatalysator 16 die minimale Schwefel-Desorptionstemperatur zumindest nahezu bereits erreicht hat, so dass der eigentliche Schwefelaustrag erfolgt, wird die Verbrennungskraftmaschine 10 wechselweise in Magerintervallen τ_M und Fettintervallen τ_F betrieben. Während der Magerintervalle τ_M wird das motorische Lambda λ_mot auf ein mageres Verbrennungslambda λ_M, das vorteilhaft 1,0 bis 1,2, vorzugsweise 1,02 bis 1,04, beträgt, eingestellt, um eine gewisse Sauerstoffeinlagerung in den Vorkatalysator 16 zu bewirken. Infolgedessen beginnt die Sauerstoffbeladung O_VK des Vorkatalysators 16 und - mit einer gewissen Verzögerung - das Abgaslambda λ_nVK nach Vorkatalysator 16 anzusteigen. Erst nach Sauerstoffdurchbruch durch den Vorkatalysator 16 (λ_nVK > 1) beginnt eine langsame Auffüllung des Sauerstoffspeichers des NO_x- Speicherkatalysators 18 und somit ein schwacher Anstieg von O_HK. Wiederum mit einer gewissen Zeitverzögerung setzt ein Anstieg des hinter dem NO_x-Speicherkatalysator 18 gemessenen Abgaslambdas λ_nHK ein.
Noch bevor der Anstieg von λ_nHK einsetzt, wird die Verbrennungskraftmaschine 10 zu einem Zeitpunkt t₂ in ein Fettintervall τ_F mit einem zweiten fetten Verbrennungslambda λ_F2, das vorteilhaft 0,93 bis 0,995, vorzugsweise 0,97 bis 0,99, beträgt, umgeschaltet. Folglich sinkt die Sauerstoffbeladung O_VK des Vorkatalysators 16. In dieser Phase wird das in der Schwefel-Speicherkomponente 20 eingelagerte Sulfat mittels der im Abgas vorhandenen Reduktionsmittel reduziert und freigesetzt. Durch den in dem vorausgegangenen Magerintervall τ_M eingelagerten Sauerstoff wird dabei gewährleistet, dass die Reduzierung auf der Oxidationsstufe des Schwefeldioxids SO₂ (+IV) stehen bleibt und nicht vollständig bis zur Stufe des Schwefelwasserstoffs H₂S (-II) abläuft. Ab einem gewissen Punkt des Fettintervalls τ_F werden die Reduktionsmittel des Abgases nicht mehr vollständig zur Umsetzung des Sulfats verbraucht, so dass das Abgaslambda λ_nVK hinter dem Vorkatalysator 16 allmählich auf einen fetten Lambdawert < 1 absinkt, um eine Entleerung des Sauerstoffspeichers des NO_x-Speicherkatalysators 18 (O_HK sinkt) zu bewirken.
Das während der zweiten Phase 12 beziehungsweise in den Fettintervallen τ_F aus dem Vorkatalysator 16 ausgetragene SO₂ erreicht zwar den nachgeschalteten NO_x- Speicherkatalysator 18, kann diesen jedoch ohne einzulagern passieren. Die Einlagerung des Schwefels in den NO_x-Speicherkatalysator 18 in Form von Sulfat erfordert nämlich zunächst die Oxidation von SO₂ zu SO₃ und somit die Gegenwart von Sauerstoff. Dieser Sauerstoff steht jedoch nicht zur Verfügung, da während der ersten Phase T₁ der Sauerstoffspeicher des NO_x-Speicherkatalysators 18 entleert wurde und selbst in den anschließenden Magerintervallen τ_M der zweiten Phase T₂ nahezu kein Sauerstoff in den Speicherkatalysator 18 einlagert.
Die Dauern der Magerintervalle τ_M und Fettintervalle τ_F werden wenigstens zu Beginn der zweiten Phase T₂ zunächst vorgesteuert, indem in Abhängigkeit aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine 10, beispielsweise einer Motorlast oder -drehzahl, gespeicherte Vorsteuerwerte vorgegeben werden. Die Vorsteuerwerte richten sich insbesondere nach der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_VK des Vorkatalysators 16 und können beispielsweise einem Frischzustand des Katalysators 16 oder einer in einer vorausgegangenen Entschwefelung bestimmten aktuellen Speicherkapazität entsprechen. Dabei sind die Dauern der Magerintervalle τ_M derart bemessen, dass ein Ende eines Magerintervalls τ_M mit einem Magerdurchbruch durch den Vorkatalysator 16 möglichst genau zusammenfällt. Auf diese Weise erreicht nur sehr wenig Sauerstoff den NO_x- Speicherkatalysator 18, so dass dieser nur eine geringe Sauerstoffeinlagerung erfährt. Die Vorsteuerwerte für die Fettintervalle τ_F sind so bemessen, dass unter Berücksichtigung der Abgaslaufzeit eine praktisch vollständige Entleerung des Sauerstoffspeichers des NO_x- Speicherkatalysators 18 erfolgt.
Eine Prüfung und gegebenenfalls Adaption der gespeicherten Vorsteuerwerte für die Dauern der Mager- und Fettintervalle τ_M, τ_F erfolgt durch Messung des Zeitverzuges zwischen Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine 10 von einem Magerintervall τ_M in ein Fettintervall τ_F (beispielsweise zum Zeitpunkt t₂) bis zu einem Unterschreiten eines ersten vorgegebenen Fettschwellenwertes S_F1 durch Abgaslambda λ_nHK hinter dem NO_x- Speicherkatalysator 18 in Richtung niedrigerer Lambdawerte. Dabei ist S_F1 unter Berücksichtigung der Abgaslaufzeit so ausgelegt, dass eine praktisch vollständige Entleerung des Sauerstoffspeichers des Vorkatalysators gewährleistet wird. Stellt sich hierbei heraus, dass der gemessene Zeitverzug größer ist als der bisherige Vorsteuerwert für die Dauer der Fettintervalle τ_F, erfolgt eine Adaption, indem die zukünftigen Fettintervalle τ_F um einen festen oder variablen Differenzwert verkürzt werden. Ist im umgekehrten Falle der gemessene Zeitverzug kürzer als die bisherige Dauer der Fettintervalle τ_F (in diesem Fall wird S_F1 nicht unterschritten), werden die nachfolgenden Intervalle τ_F um den Differenzwert verlängert.
Um eine Alterung der Katalysatoren und damit einhergehend eine Abnahme der Sauerstoffspeicherkapazitäten zu berücksichtigen, erfolgt im Laufe der zweiten Phase T₂ und/oder am Ende der ersten Phase T₁ eine Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_Σ des gesamten Katalysatorsystems 16, 18. Zu diesem Zweck wird innerhalb der zweiten Phase T₂ ein verlängertes Magerintervall τ_M' durchgeführt, so lange, bis das Abgaslambda λ_nHK hinter dem Speicherkatalysator 18 eine vorgegebene Magerschwelle S_M erreicht. Dabei ist der Magerschwellenwert S_M so ausgelegt, dass seine Überschreitung einer 100%igen Sauerstoffbeladung des NO_x-Speicherkatalysators 18 und somit des gesamten Katalysatorsystems 16, 18 entspricht. Tatsächlich erfolgt die Beendigung des verlängerten Magerintervalls τ_M' und Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine 10 auf λ_F2 bereits bei Überschreitung eines zweiten Fettschwellenwertes S_F2 durch λ_nHK. Hierdurch wird der Magerschwellenwert S_M um die Abgaslaufzeit korrigiert, um einen zu großen Sauerstoffeintrag in den Speicherkatalysator 18 zu vermeiden. Aus dem gemessenen Zeitverzug zwischen motorischem Einleiten des verlängerten Magerintervalls τ_M' bis zum mit dem Gassensor 24 gemessenen Magerdurchbruch durch den NO_x-Speicherkatalysator 18 kann die Sauerstoffspeicherkapazität OSC_Σ als Summe der Speicherkapazitäten (OSC_VK + OSC_HK) ermittelt werden. In Abhängigkeit von OSC_Σ und einem von den frischen Katalysatoren 16, 18 bekannten Verhältnis der Sauerstoffspeicherkapazitäten kann die maximale Sauerstoffspeicherkapazität OSC_VK des Vorkatalysators 16 bestimmt werden. In Abhängigkeit der so ermittelten OSC_VK des Vorkatalysators 16 werden dann die Dauern der Magerintervalle τ_M und Fettintervalle τ_F korrigiert. Ebenfalls erfolgt eine Adaption der Lambdaschwellenwerte S_M, S_F1 und S_F2.
Es ist besonders bevorzugt vorgesehen, bereits vor Beginn der alternierenden Abgasbeaufschlagung am Ende der ersten Phase T, eine Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität OSC_Σ des gesamten Katalysatorsystems 16, 18 durchzuführen (nicht dargestellt). Hierfür wird vorzugsweise 20 K unterhalb der minimalen Schwefel- Desorptionstemperatur des Vorkatalysators 16 das Katalysatorsystem zunächst mit leicht magerem Abgas zwischen 1,005 und 1,05 beaufschlagt, bis ein Sondensprung von λ_nHK ins "Magere" hinter dem Speicherkatalysator 18 detektiert wird. Ist dies der Fall, liegt eine maximale Sauerstoffbeladung des Katalysatorsystems 16, 18 vor. Anschließend erfolgt eine Beaufschlagung des Systems mit leicht fettem Abgas bei Lambdawerten zwischen 0,95 und 0,995, bis stromab des Speicherkatalysators 18 ein Sondensprung des Gassensors 24 ins "Fette" detektiert wird. Bei dieser Vorgehensweise wird der Zeitverzug von Umschaltung des motorischen Lambdas von mager auf fett bis zur Detektion des Fettdurchbruchs stromab des NO_x-Speicherkatalysators 18 ausgewertet, um die gesamte Sauerstoffspeicherfähigkeit OSC_Σ zu ermitteln. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass bereits mit Beginn der zweiten Phase T₂ die Dauern der Mager- und Fettintervalle τ_M, τ_F an den aktuellen Katalysatorzustand, insbesondere des Vorkatalysators 16, angepasst werden können.
Obwohl das Verfahren am besonders vorteilhaften Beispiel eines mit einer Schwefel- Speicherkomponente 20 ausgeführten Vorkatalysators 16 erläutert wurde, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Die Durchführung des Verfahrens bei herkömmlichen Vorkatalysatoren ohne "Schwefelfalle" unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise praktisch nicht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, dass nahezu der gesamte, in den Vorkatalysator 16 eingelagerte Schwefel in Form von SO₂ freigesetzt wird, ohne nachfolgend zu einer erneuten Schwefeleinlagerung in den hierfür besonders empfindlichen NO_x- Speicherkatalysator 18 zu führen. Hierdurch werden die äußerst kraftstoffzehrenden Entschwefelungen des NO_x-Speicherkatalysators 18, die aufgrund der hierfür erforderlichen sehr hohen Katalysatortemperaturen nämlich stets Motorwirkungsgrad vermindernde Maßnahmen erfordern und somit zu einem erheblichen Kraftstoffmehrverbrauch führen, in größeren Abständen notwendig. Ferner wird durch die diskontinuierliche Mager-Fett- Beaufschlagung während der zweiten Phase T₂ die Bildung und Emission von geruchsintensivem und schädlichem H₂S nahezu vollständig unterdrückt und auch der Durchbruch von den Reduktionsmitteln HC und CO geringgehalten. Insgesamt zeichnet sich das Verfahren daher durch äußerst geringe Schadstoffemissionen aus. Darüber erlaubt das Verfahren erstmalig eine gezielte Auslegung des Vorkatalysators 16 als "Schwefelfalle". Hierdurch kann der NO_x-Speicherkatalysator 18 nahezu umfassend vor Schwefelvergiftungen geschützt werden und praktisch vollständig auf die andernfalls erforderlichen Entschwefelungen des Speicherkatalysators 18 verzichtet werden. BEZUGSZEICHENLISTE 10 Verbrennungskraftmaschine
12 Abgasanlage
14 Abgaskanal
16 Vorkatalysator
18 nachgeschalteter Katalysator/NO_x-Speicherkatalysator
20 Schwefel-Speicherkomponente
22 sauerstoffempfindliche Messeinrichtung/Lambdasonde
24 sauerstoffempfindliche Messeinrichtung/NO_x-Sensor
26 Steuereinheit
28 Motorsteuergerät
λ Luft-Kraftstoff-Verhältnis Lambda
τ_F Fettintervall
λ_F1 erstes fettes Verbrennungslambda
λ_F2 zweites fettes Verbrennungslambda
λ_M mageres Verbrennungslambda
τ_M Magerintervall
τ_M' verlängertes Magerintervall
λ_mot Verbrennungslambda/motorisches Lambda
λ_nHK Abgaslambda stromab des NO_x-Speicherkatalysators
λ_nVK Abgaslambda stromab des Vorkatalysators
O_HK Sauerstoffbeladung des NO_x-Speicherkatalysators
OSC_Σ Sauerstoffspeicherkapazität des gesamten Katalysatorsystems
OSC_HK Sauerstoffspeicherkapazität des NO_x-Speicherkatalysators
OSC_VK Sauerstoffspeicherkapazität des Vorkatalysators
O_VK Sauerstoffbeladung des Vorkatalysators
S_F1 erster Fettschwellenwert
S_F2 zweiter Fettschwellenwert
S_M Magerschwellenwert
t Zeit
T₁ erste Phase (Sauerstoffentfernung)
T₂ zweite Phase (Entschwefelung)

Claims

1. Verfahren zum Entschwefeln zumindest eines in einem Abgaskanal (14) einer Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten Vorkatalysators (16), dem mindestens ein weiterer Katalysator (18) nachgeschaltet ist, wobei bei Erreichen oder mit einem vorgebbaren Vorlauf vor Erreichen einer Temperatur des Vorkatalysators (16), die größer oder gleich einer minimalen Schwefel-Desorptionstemperatur des Vorkatalysators (16) ist,

a) in einer ersten Phase (T₁) die Verbrennungskraftmaschine (10) mit einem ersten fetten Verbrennungslambda (λ_F1) so lange betrieben wird, bis ein Sauerstoffspeicher des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist, und

b) in einer anschließenden zweiten Phase (T₂) die Verbrennungskraftmaschine (10) alternierend in Magerintervallen (τ_M) mit einem mageren Verbrennungslambda (λ_M) und in Fettintervallen (τ_F) mit einem zweiten fetten Verbrennungslambda (λ_F2) betrieben wird, wobei die Magerintervalle (τ_M) und/oder die Fettintervalle (τ_F) zeitgesteuert bemessen werden derart, dass in den Vorkatalysator (16) eingelagerter Schwefel zu mindestens 25% in Form von Schwefeldioxid (SO₂) ausgetrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der zweiten Phase (T₂) für die Dauern zumindest eines ersten Magerintervalls (τ_M) und/oder zumindest eines ersten Fettintervalls (τ_F) variable Vorsteuerwerte vorgegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerwerte in Abhängigkeit einer Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_VK) eines Sauerstoffspeichers des Vorkatalysators (16) bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_VK) des Vorkatalysators (16) in Abhängigkeit einer Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_Σ) des gesamten Katalysatorsystems (16, 18) und in Abhängigkeit eines Verhältnisses der Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_VK) des Vorkatalysators (16) zu einer Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_HK) des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsteuerwerte in betriebspunktabhängigen Kennfeldern gespeichert werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase (T₂) die Dauer der Magerintervalle (τ_M) derart bemessen wird, dass während eines Magerintervalls (τ_M) die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_VK) eines des Vorkatalysators (16) zu mindestens 30% und maximal 99%, insbesondere zu mindestens 50% und maximal 95%, gefüllt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Magerintervalle (τ_M) derart bemessen wird, dass ein Ende des Magerintervalls (τ_M) im Wesentlichen spätestens einem Zeitpunkt entspricht, an dem ein Durchbruch mageren Abgases durch den Vorkatalysator (16) einsetzt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Phase (T₂) eine Dauer der Fettintervalle (τ_F) derart bemessen wird, dass während eines Fettintervalls (τ_F) der in den Vorkatalysator (16) eingelagerte Schwefel überwiegend in Form von Schwefeldioxid (SO₂) ausgetrieben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Fettintervalle (τ_F) derart bemessen wird, dass ein Ende des Fettintervalls (τ_F) im Wesentlichen einem Zeitpunkt entspricht, an dem der Sauerstoffspeicher (OSC_VK) des Vorkatalysators weitgehend sauerstofffrei ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_Σ) des gesamten Katalysatorsystems (16, 18) in Abhängigkeit einer Zeitspanne bestimmt wird, die bei praktisch maximal sauerstoffbeladenem Katalysatorsystem (16, 18) vergeht, ehe nach einem Umschalten der Verbrennungskraftmaschine (10) von einem mageren in einen fetten Betriebsmodus erstmalig fettes Abgas stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) detektiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_Σ) des Katalysatorsystems (16, 18) vor Beginn der zweiten Phase (T₂), insbesondere am Ende der ersten Phase (T₁), durchgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_Σ) des Katalysatorsystems (16, 18) vor Erreichen der minimalen Schwefel-Desorptionstemperatur des Vorkatalysators (16), insbesondere etwa 20 K unterhalb der minimalen Schwefel-Desorptionstemperatur, durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_Σ) des Katalysatorsystems (16, 18) in Abhängigkeit einer Zeitspanne bestimmt wird, die bei zumindest annähernd sauerstofffreiem Katalysatorsystem (16, 18) vergeht, ehe nach einem Umschalten der Verbrennungskraftmaschine (10) von einem fetten in einen mageren Betriebsmodus stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) erstmalig mageres Abgas detektiert wird oder ein vorgebbarer Magerschwellenwert (S_M) überschritten wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Magerschwellenwert (S_M) derart ausgelegt wird, dass der Zeitpunkt seiner Überschreitung durch das Abgaslambda (λ_nHK) stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) mit einer zumindest annähernd vollständigen Auffüllung des Sauerstoffspeichers (OSC_HK) des Katalysators (18) korreliert.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_Σ) während der zweiten Phase (T₂) durchgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der zweiten Phase (T₂) in Abhängigkeit einer gemessenen Zeitspanne von Umschaltung der Verbrennungskraftmaschine (10) von einem Fettintervall (τ_F) in ein Magerintervall (τ_M) bis Unterschreitung eines ersten vorgegebenen Fettschwellenwertes (S_F1) durch das fallende Abgaslambda (λ_nHK) stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) in Richtung fetterer Werte der Vorsteuerwert für die Dauer der Fettintervalle (τ_F) angepasst wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste vorgegebene Fettschwellenwert (S_F1) derart ausgelegt wird, dass der Zeitpunkt seiner Unterschreitung durch das Abgaslambda (λ_nHK) stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) mit einer zumindest annähernden Entleerung des Sauerstoffspeichers (OSC_HK) des Hauptkatalysators (18) korreliert.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgaslambda stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) mit einer sauerstoffempfindlichen Messeinrichtung (22), insbesondere mit einem NO_x- Sensor oder einer Lambdasonde, gemessen wird.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite fette Verbrennungslambda (λ_F2) der Fettintervalle (τ_F) der zweiten Phase (T₂) 0,93 bis 0,995, insbesondere 0,97 bis 0,99, beträgt.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magere Verbrennungslambda (λ_M) der Magerintervalle (τ_M) der zweiten Phase (T₂) 1,0 bis 1,2, insbesondere 1,02 bis 1,04, beträgt.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste fette Verbrennungslambda (λ_F1) der ersten Phase (T₁) 0,7 bis 0,95, insbesondere 0,8 bis 0,9, beträgt.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Phase (T₁) so lange aufrecht erhalten wird, bis die Sauerstoffspeicherkapazität (OSC_HK) des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) höchstens zu 20%, insbesondere zu weniger als 10%, belegt ist.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Phase (T₂) so lange aufrecht erhalten wird, bis der Vorkatalysator (16) zumindest weitgehend schwefelfrei ist.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer modellierten Schwefelbeladung des Vorkatalysators (16) ein Ende der zweiten Phase (T₂) bestimmt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwefelbeladung in Abhängigkeit eines anhand aktueller Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine (10) modellierten Schwefeleintrages und/oder Schwefelaustrages des Vorkatalysators (16) ermittelt wird.

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

27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Vorkatalysators (16) für eine vorgegebene Zeitspanne hochgerechnet wird und die erste Phase (T₁) eingeleitet wird, noch ehe der Vorkatalysator (16) die minimale Schwefel-Desorptionstemperatur erreicht hat, wenn durch die Hochrechnung ein zukünftiges Erreichen der Schwefel-Desorptionstemperatur innerhalb der Zeitspanne erkannt wird.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochrechnung der Vorkatalysatortemperatur unter Berücksichtigung einer Stellung eines Pedalwertgebers eines Gaspedals, einer Dynamik des Pedalwertgebers, einer Motordrehzahl, einer eingespritzten Kraftstoffmenge, einer aktuellen Vorkatalysatortemperatur, einer Dynamik der Vorkatalysatortemperatur, der modellierten Schwefelbeladung des Vorkatalysators (16) und/oder einer Sauerstoffspeicheraktivität des Vorkatalysators (16) erfolgt.

29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entschwefelung des Vorkatalysators (16) zumindest teilweise in eine NO_x- Regeneration des nachgeschalteten NO_x-Speicherkatalysators (18) fällt oder in unmittelbarem Anschluss durchgeführt wird.

30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schubabschaltung während der Entschwefelung des Vorkatalysators (16) unterdrückt wird.

31. Vorrichtung zur Entschwefelung zumindest eines in einem Abgaskanal (14) einer magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschine (10) angeordneten Vorkatalysators (16), dem mindestens ein weiterer Katalysator (18), insbesondere ein NO_x- Speicherkatalysator, nachgeschaltet ist, mit einem stromab des mindestens einen nachgeschalteten Katalysators (18) angeordneten sauerstoffempfindlichen Gassensor (22) und Mitteln, mit denen bei Erreichen oder mit einem vorgebbaren Vorlauf vor Erreichen einer Temperatur des Vorkatalysators (16), die größer oder gleich einer minimalen Schwefel-Desorptionstemperatur des Vorkatalysators (16) ist, die Verfahrensschritte

a) Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) in einer ersten Phase (T₁) mit einem ersten fetten Verbrennungslambda (λ_F1) so lange, bis ein Sauerstoffspeicher des nachgeschalteten Katalysators (18) zumindest weitgehend sauerstofffrei ist, und

b) in einer anschließenden zweiten Phase (T₂) Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) alternierend in Magerintervallen (τ_M) mit einem mageren Verbrennungslambda (λ_M) und in Fettintervallen (τ_F) mit einem zweiten fetten Verbrennungslambda (λ_F2), dabei zeitgesteuerte Bemessung der Magerintervalle (τ_M) und/oder der Fettintervalle (τ_F) derart, dass in den Vorkatalysator (16) eingelagerter Schwefel zu mindestens 25% in Form von Schwefeldioxid (SO₂) ausgetrieben wird,

durchführbar sind.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkatalysator (16) mit einer Schwefel-Speicherkomponente (20) zur reversiblen Einlagerung von Schwefel aus einem mageren Abgas ausgestattet ist.

33. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel eine Steuereinheit (26) umfassen, in der ein Algorithmus zur Durchführung des Verfahrens in digitaler Form hinterlegt ist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (26) in eine Motorsteuerung (28) integriert ist.