WO2001006106A1

WO2001006106A1 - VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR DESULFATISIERUNG EINES NOx-SPEICHERKATALYSATORS

Info

Publication number: WO2001006106A1
Application number: PCT/EP2000/006517
Authority: WO
Inventors: Christos Coutsochristos; Ngoc-Hoa Huynh; Alf Degen; Lorenz Salzer; Peter Gerl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; DaimlerChrysler AG; Audi AG; Dr Ing HCF Porsche AG; Volkswagen AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Audi AG; Dr Ing HCF Porsche AG; Volkswagen AG; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2001-01-25
Anticipated expiration: 2002-01-15
Also published as: EP1200723A1; DE19933029A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Desulfatisierung eines NOx-Speicherkatalysators (4) im Abgassystem einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Direkteinspritzung mit den Schritten: Durchführen einer Späteinspritzung in das Abgas während des Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine (1) in einem Desulfatisierungsmodus und Vorsehen eines derartigen Sauerstoffüberschusses im Abgas in dem Desulfatisierungsmodus, dass im NOx-Speicherkatalysator (4) eine Nachverbrennung zur Desulfatisierung stattfindet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Desulfatisierung eines NO -Speicherkatalysators

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Desulfatisierung eines NO_x-Speιcherkatalysators.

Die Schadstoffemission von Ottomotoren kann durch eine katalytische Nachbehandlung wirksam verhindert werden. Dabei geht es im wesentlichen darum, den noch nicht vollständig verbrannten Kraftstoff vollständig zu verbrennen. Ein Katalysator fordert die Nachverbrennung von reaktiven CO und HC zu ungefährlichem Kohlendioxid (C0₂) und Wasser (H₂0) und reduziert gleichzeitig im Abgas vorkommende Stickoxide (NO_x) zu neutralem Stickstoff (N₂).

Üblich ist beispielsweise der Dreiwege-Katalysator, der alle drei Schadstoffe CO, HC und N0_X gleichzeitig abbaut. Er hat ein Rohrengerust aus einer Keramik, die mit Edelmetallen, vorzugsweise mit Platin und Rhodium beschichtet ist, wobei letztere den chemischen Abbau der Schadstoffe beschleunigen.

Das katalytische Dreiwege-Verfahren setzt voraus, daß das Gemisch stochiometπsch zusammengesetzt ist. Eine stochiometπsche Gemischzusammensetzung ist durch eine Luftzahl = 1 ,00 charakterisiert. Bei dieser Gemischzusammensetzung arbeitet der Katalysator mit einem sehr hohen Wirkungsgrad. Schon eine Abweichung von nur einem Prozent beeinträchtigt die Wirksamkeit der Schadstoffumsetzung erheblich.

Die bekannte λ-Sonde liefert zur Verwendung bei der Gemischregelung ein Signal über die augenblickliche Gemischzusammensetzung an das Steuergerat. Die λ-Sonde ist im Abgasrohr des Motors an einer Stelle eingebaut, an der über den gesamten Betriebsbereich des Motors die für die Funktion des Systems notige Abgashomogenitat vorhanden ist. Um das Verbrauchspotential besonders eines direkt einspritzenden Ottomotors vollständig zu nutzen, ist es erforderlich, den Motor mit Luftuberschuß, also mager (λ > 1), zu betreiben. In dieser mageren Betriebsart sind die bekannten Dreiwege-Katalysatoren jedoch nutzlos, da sie die Stickoxide (NO_x) nicht mehr umwandeln können.

Als alternative Möglichkeit, NO_x aus dem mageren Abgas zu entfernen, stellt der an sich bekannte NO_x-Speιcherkatalysator eine aussichtsreiche Alternative dar. Im Neuzustand eines solchen NO_x-Speιcherkatalysators können heute bekannte bzw. geltende Abgasgrenzwerte eingehalten werden.

Allerdings weist der NO_x-Speιcherkatalysator, der N0_X in Form von Nitraten speichert, eine Empfindlichkeit gegenüber Schwefel auf, da die viel selteneren aber dafür chemisch stabileren Sulfate die Speicherplätze für die Nitrate belegen. Dies hat zur Folge, daß der Speicherkatalysator wahrend des Betriebs in Abhängigkeit vom Schwefelgehalt des Kraftstoffs vergiftet und im Laufe der Zeit seine NO_x-Speιcherfunktιon vollständig einbüßt. Bei einem Schwefelgehalt des Kraftstoffs von 30 ppm (clean fuel nach US-Norm California Phase 2) muß der Speicher nach ca. 70 Stunden oder ca. 2000 km von Sulfaten gereinigt werden.

Der wirksame Betriebsbereich für die Entgiftung liegt nachgewiesenermaßen bei Monolithen-Temperaturen > 600°C in fettem Abgas (λ < 0,98), wobei die herrschende Temperatur die notwendige Entgiftungsdauer bestimmt. Allerdings schadigen

Temperaturen von über 750°C die bisher bekannten N0_x-Speιchermaterιalιen thermisch. Solche gunstigen Desulfatisierungsbedmgungen treten bei Fahrzeugen in

Kundenbetrieb nur dann auf, wenn über mehrere Minuten mit Vollgas gefahren wird.

Insbesondere bei Fahrzeugen mit leistungsstarken Motoren treten solche

Betriebsbedingungen im Feld so gut wie nie auf. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt dann, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Desulfatisierung eines NO_x-Speιcherkatalysastors anzugeben, wodurch die Desulfatisierung unabhängig von den vom Fahrer vorgegebenen Betriebszustanden durchgeführt werden kann.

Das erfindungsgemaße Verfahren zur Desulfatisierung eines NO_x-Speιcherkatalysators mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die entsprechende Vorrichtung gemäß Anspruch 11 weisen den Vorteil auf, daß die Entgiftung mittels spezifischer Funktionen der Direkteinspritzung unabhängig von den fahrerseitig gewünschten Betriebszustanden der Brennkraftmaschine durchfuhrbar ist und darüber hinaus nicht vom Fahrer als störend bemerkbar ist.

Die vorliegende Erfindung macht sich die auf direkt einspritzende Motoren beschrankte Möglichkeit zunutze, dem verbrannten Abgas wahrend der Ausschiebephase bzw. Ausstoßphase, also bei offenem Auslaßventil, erneut Kraftstoff zuzugeben, was auch als Spateinspritzung bezeichnet wird. Ein weiterer Vorteil einer solchen Direkteinspritzung besteht dann, daß die Zusammensetzung des Luft-KraftstoffGemischs, also der λ-Wert, zur Erzeugung der Motorleistung ninnerhalb systemabhangiger Grenzen frei wahlbar ist. Es wird dabei unterschieden zwischen dem λ-Wert im Motor (λ_M), worunter die Gemischzusammensetzung bei der zur Motorleistungserzeugung stattfindenden Verbrennung zu verstehen ist, und dem λ-Wert des Abgases (λ_A) , das die Gemischzusammensetzung zu verschiedenen Zeiten an unterschiedlichen Orten des Abgassystems beschreibt, bzw. dem λ-Wert des Katalysators (λ_κ), worunter die im Katalysator wirksame Gemischzusammensetzung zu verstehen ist.

In einer ersten Variante wird vorgeschlagen, im Entgiftungsmodus den Wert λ_M an jedem Betriebspunkt derart zu wählen, daß mittels einer Spateinspritzung nach erfolgter Verbrennung der λ-Wert λ_κ zumindest auf den oberen Grenzwert des λ-Wertes zur Entgiftung λ_κ = 0,98 eingestellt wird und die eingesetzte Spateinspritzmenge geeignet ist, im NO_x-Speιcherkatalysator eine Nachverbrennung zu erzeugen, durch die die normale Betriebstemperatur des Katalysators mindestens bis zu derjenigen Temperatur (600°C) erhöht wird, die zur Desulfatisierung erforderlich ist. Bei Betriebspunkten mit niedriger Last und entsprechend niedriger Betriebstemperatur muß ein λ-Wert λ_M mit verhältnismäßig viel Sauerstoffuberschuß gewählt werden, damit durch die Spateinspritzung entsprechend viel Kraftstoff beigegeben werden kann und ein entsprechend großer Heizwert erzielt werden kann, um die große notwendige Temperaturerhöhung zu bewirken. Dieses Verfahren ist prinzipiell auf jeden Betriebspunkt anwendbar, so daß eine Desulfatisierung unabhängig von den Kundengewohnheiten realisierbar ist. Durch gezieltes Freisetzen des erforderlichen Heizwerts unmittelbar im Speicherkatalysator, wo die Temperaturerhöhung stattfinden soll, ist das Verfahren optimal hinsichtlich seines Wirkungsgrades.

Allerdings ist bei dieser ersten Variante zu beachten, daß der NO_x-Speιcherkatalysator die erste katalytisch wirksame Umsetzeinrichtung bzw. Umwandlungseinrichtung stromabwärts des Auslaßventils sein muß, er jedoch durch seine thermische Empfindlichkeit nicht zum motornahen Einbau geeignet ist. Ein motornaher Startkatalysator in üblicher Dreiwegetechnik kann bei dieser Vorgehensweise nicht eingesetzt werden, da er beim oben beschriebenen Verfahren den im Abgasstrom mitgefuhrten Heizwert sofort freisetzen wurde. Auf der anderen Seite ist es schwierig, ohne einen motornahen Katalysator die zunehmend strengeren Abgasvorschriften einzuhalten.

Die vorliegende Erfindung bietet gemäß einer zweiten Variante die Möglichkeit, unter Zuhilfenahme einer Sekundarluftpumpe, das erfindungsgemaße Verfahren auch mit einem Vorkatalysator einzusetzen. Dabei wird der zur Aufheizung des NO -Speicherkatalysators notwendige zusätzliche Kraftstoff wie bei der ersten Variante dem Abgas hinzugefugt. Durch eine geeignete Steuerung bzw. Regelung der zur Leistungserzeugung erforderlichen Hauptverbrennung mit Kraftstoff Überschuß, d.h. fettes Gemisch (λ < 1), enthalt hier allerdings das Abgas, welches von der Hauptverbrennung herrührt nur wenig Sauerstoff (0₂), so daß der nachtraglich mit Spateinspritzung beigefugte Kraftstoff den jeweiligen Vorkatalysator ohne nennenswerte chemische Reaktion passieren kann. Der zur Heizwertfreisetzung im NO_x-Speιcherkatalysator erforderliche Sauerstoff wird dem Abgas erst nach dem Vorkatalysator mittels der Sekundarluftpumpe zugegeben, so daß der gewünschte Heizeffekt erst im NO_x-Speιcherkatalysator auftritt.

Wahrend bei der zweiten Variante bedingte durch den Einsatz des Vorkatalysators und der Sekundarluftpumpe ein leicht erhöhter Bauaufwand notwendig ist, beschreibt eine dritte Variante der Erfindung, die aus einer sinnvollen Kombination der ersten und zweiten Variante besteht, ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei denen die zur Desulfatisierung erforderliche Temperaturerhöhung am NO_x-Speιcherkatalysator selbst bei Systemen mit Vorkatalysator ohne zusätzlichen Bauaufwand mittels der ohnehin vorhandenen Motorsteuerung realisierbar ist.

Da bei Direkteinspritzmotoren aus Gründen des Ladungswechsels und der Verbrennung eine Aufteilung der motornahen Abgasfuhrung unter Beachtung der Zündfolge auf zwei Vorkatalysatoren üblich ist, kann das Vorhandensein von zwei Vorkatalysatoren als Stand der Technik vorausgesetzt werden. Die dritte Variante der Erfindung schlagt daher vor, die Zylindergruppen, welche jeweils aus einem oder mehreren Zylindern bestehen, die mit jeweils einem Vorkatalysator verbunden sind, auch steuerungs- oder regelungstechnisch gesondert zu betreiben. Dies eröffnet die Möglichkeit, die eine Zylindergruppe unterstochiometπsch ohne wesentliche Sauerstoffanteile im Abgas zu betreiben. Dem entsprechenden sauerstoffarmen Abgas kann mittels Spateinspritzung eine beliebige Quantität an unverbranntem Benzin beigefugt werden ohne daß eine unkontrollierte Umsetzung im Vorkatalysator stattfindet. Die andere Zylindergruppe wird uberstochiometrisch betrieben, so daß das dort entstehende Abgas eine hohe Konzentration an Sauerstoff aufweist. Die beiden

Vorgange sind derart aufeinander abzustimmen, daß durch die Vermischung nach Durchlaufen der Vorkatalysatoren im zu desulfatisierenden Hauptkatalysator die zur Desulfatisierung ideale Abgaszusammensetzung von λ < 0,98 entsteht und das Abgas exakt die zum Erreichen der Mindesttemperatur von 600°C erforderliche Menge an

Kraftstoff mit sich fuhrt.

Aus Gründen der Laufruhe kann es erforderlich werden, in beiden Zylindergruppen das gleiche λ_M anzuwenden. In diesem Fall kann durch Vorsehen eines uberstochiometπschen λ_A durch entsprechende Kraftstoffzugabe mittels Spateinspritzung nur auf einer Zylindergruppe die gleiche Wirkung bei etwas verminderter Effizienz erzielt werden, d.h. in der ersten Zylindergruppe strömt das uberstochiometπsche Abgas, wie es vom Motor kommt, und in der zweiten Zylindergruppe liegt λ_A « 1 durch Spateinspritzung an.

Um eine thermische Überlastung eines Vorkatalysators zu vermeiden, kann die Betriebsart in kurzen Abstanden zwischen den Zylindergruppen gewechselt werden

In den Unteranspruchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert.

Es zeigen-

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als erstes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung, Fig. la eine Darstellung der Temperaturerhöhung bei einer Variation des λ-Wertes beim ersten Ausfuhrungsbeispiel zur Illustration des erfmdungsgemaßen

Verfahrens, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als zweites Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung, Fig. 2a eine Darstellung der Temperaturerhöhung bei einer Variation des λ-Wertes beim zweiten Ausfuhrungsbeispiel zur Illustration des erfmdungsgemaßen

Verfahrens, Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als drittes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung, Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als viertes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung, Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als fünftes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung, Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als sechstes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als siebentes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als achtes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden

Erfindung und Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als neuntes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als erstes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 bezeichnen 1 eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern A bis D, 2 einen Luftfilter, 20 Ansaugleitungen und 40 Drallklappen zur Turbulenzerzeugung für die jeweiligen Zylinder A bis D, 10 eine Abgasleitung, 4 einen NO_x-Speιcherkatalysator und 4a einen nachgeschalteten Dreiwege-Katalysator sowie 6 einen Nachschalldampfer.

Bei dieser ersten Ausfuhrungsform wird der Desulfatisierungsmodus ungefähr alle 70 Stunden oder alle 2000 km durchgeführt. Dies laßt sich durch eine geeignete Timerschaltung erreichen. Auch kann zur Beurteilung der Notwendigkeit einer Desulfatisierung das NO_x-Speιcherverhalten anhand eines NO_x-Sensors stromabwärts des zu überwachenden NO_x-Speιcherkatalysators erfaßt werden. Als Beurteilungskπteπum können interne Modellrechnungen herangezogen werden.

Im Desufatisierungsmodus erfolgt durch geeignete Steuerung der Direkteinspritzung eine Spateinspritzung in das Abgas wahrend des Ausschiebetaktes.

Bei der Steuerung der Gemischzusammensetzung für die Hauptverbrennung wird ein derartiger Sauerstoffuberschuß im Abgas vorgesehen, daß im NO_x-Speιcherkatalysator 4 eine Nachverbrennung zur Desulfatisierung stattfindet, wobei im NO_x-Speιcherkatalysator 4 eine Temperatur von mindestens 600°C und ein λ-Wert < 0,98 vorherrscht.

Fig. la zeigt eine Darstellung der Temperaturerhöhung bei einer Variation des λ-Wertes bei der ersten Ausfuhrungsform zur Illustration des erfmdungsgemaßen Verfahrens.

Auf der x-Achse ist der λ_M-Wert aufgetragen und auf der y-Achse die zugehörige Temperaturerhöhung. Die Gerade G zeigt beispielhaft einen Betriebspunkt mit einer Drehzahl von 2000 UpM und einer spezifischen Arbeit w_p von 0,2 kJ/dm³.

Im Normalbetrieb ist λ_M = λ_A = λ_κ = 3,2, wodurch eine Abgastemperatur T_A im Abgaskrummer von 320°C und eine Katalysatortemperatur T_κ von 250°C erreicht wird.

Das Zιel-λ_κ bzw. Zιel-λ_A zur Desulfatisierung liegt bei 0,98 und die Ziel-Katalysatortemperatur T_κ bei 700°C.

Diese Zielwerte werden erreicht durch λ_M = 1 ,8 sowie eine durch eine

Spateinspritzung bewirkte λ_κ-Anderung Δλ, wodurch eine Katalysator-Temperaturerhöhung ΔT von 380 K bewirkt wird.

Dabei wird also in dem Desulfatisierungsmodus für die Hauptverbrennung im Brennraum eine exakt so magere Gemischzusammensetzung vorgesehen, daß der Brennwert der Nacheinspritzung zur Einstellung des λ_κ auf 0,98 zusammen mit dem im ausgeschobenen Abgas enthaltenen Sauerstoff bei der Nachverbrennung im NO_x-Speιcherkatalysator 4 genau die Desulfatisierungstemperatur > 600°C einstellt. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als zweites Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel sind im Gegensatz zum ersten Ausfuhrungsbeispiel ein jeweiliger Dreiwege-Vorkatalysator 3a, 3b im Abgasleitungszweig der Zylinder B, C bzw. A, D vorgesehen. Desweiteren ist stromabwärts der Vorkatalysatoren 3a, 3b nach dem Vereinigungspunkt der beiden Abgasleitungszweige über eine Sekundarluftleitung 30 eine Sekundarluftpumpe 7 angeschlossen

Der zur Aufheizung des NO_x-Speιcherkatalysators 4 notwendige zusatzliche Kraftstoff wird, wie beim ersten Ausfuhrungsbeispiel dem Abgas hinzugefugt. Durch eine geeignete Steuerung bzw. Regelung der zur Leistungserzeugung erforderlichen Hauptverbrennung mit Kraftstoffuberschuß, d.h. fettes Gemisch, enthalt hier allerdings das Abgas nur wenig Sauerstoff (0₂), so daß der nachträglich mit Spateinspritzung beigefugte Kraftstoff den jeweiligen Vor- oder Startkatalysator 3a, 3b ohne nennenswerte chemische Reaktion passieren kann

Der zur Heizwertfreisetzung im NO_x-Speιcherkatalysator 4 erforderliche Sauerstoff wird dem Abgas erst nach den Startkatalysatoren 3a, 3b mittels der Sekundarluftpumpe 7 zugegeben, so daß der gewünschte wirkungsgradoptimierte Heizeffekt des NO_x-Speιcherkatalysators 4 genau wie im vorher beschriebenen Fall mit nur einem NO_x-Speιcherkatalysator eintritt.

Fig. 2a zeigt eine Darstellung der Temperaturerhöhung bei einer Variation des λ-Wertes bei der zweiten Ausfuhrungsform zur Illustration des erfmdungsgemaßen Verfahrens Auf der x-Achse ist wiederum der λ_M-Wert aufgetragen und auf der y-Achse die zugehörige Temperaturerhöhung. Die Gerade G zeigt auch hier beispielhaft den Betriebspunkt mit einer Drehzahl von 2000 UpM und einer spezifischen Arbeit w_e von 0,2 kJ/dm³.

Im Normalbetrieb ist wie beim vorherigen Beispiel λ_M = λ_A = λ_κ = 3,2, wodurch eine Abgastemperatur T_A von 320°C und eine Katalysatortemperatur T_κ von 250°C erreicht wird.

Diese Zielwerte werden erreicht durch λ_M = 1 ,0, λ_A = 0,82 und λ_κ = 0,98, eine durch eine Spateinspritzung bewirkte λ_κ-Anderung Aλ_v und eine durch die Sekundarluftzugabe bewirkte λ_A-Anderung Δλ₂ wodurch eine Katalysator-Temperaturerhöhung ΔT von 380 K bewirkt wird.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als drittes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei diesem dritten Ausfuhrungsbeispiel bilden zwei hintereinander angeordnete Monolithen 4, 4' den NO_x-Speιcherkatalysator. Hier wird mit einer mittels der Taktventile 8a bzw. 8b steuerbaren Sekundarluftzufuhrung zwischen den beiden Monolithen 4, 4' die Möglichkeit geschaffen, die Heizwertfreisetzung durch Zugabe der Sekundarluft von der Sekundarluftpumpe 7 durch die Sekundarluftleitungszweige 30a bzw. 30b von stromaufwärts des ersten Monolithen 4 nach stromabwärts des ersten Monolithen 4, also unmittelbar vor den zweiten Monolithen 4', zu verlagern. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als viertes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Im Gegensatz zum dritten Ausfuhrungsbeispiel sind bei diesem vierten Ausfuhrungsbeispiel die beiden Taktventile 8a bzw. 8b durch ein einziges Umschaltventil 9 ersetzt.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als fünftes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei diesem fünften Ausfuhrungsbeispiel bezeichnen zusatzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 5 einen die NO_x-Speιcherkatalysatoren umhüllenden Abgaswarmetauscher, 50 eine Trennwand und 49 eine Einlaßöffnung oberhalb des zweiten Monolithen 4'. Der Abgaswarmetauscher 5 ist durch eine weitere Sekundarluftleitung 30c mit einem Einlaß in die Abgasleitung oberhalb des ersten Monolithen 4 verbunden.

Hier wird zur Reduzierung des Brennstoffeinsatzes auf einen möglichst geringen Wert, die Sekundarluft dadurch vorgeheizt, daß stromabwärts der zu regenerierenden Katalysatoren 4, 4' aus dem Abgasstrom durch den Abgaswarmetauscher 5 ein Teil des freigesetzten Heizwertes auf die Sekundarluft übertragen wird.

Auch bei diesem Ausfuhrungsbeispiel ist durch die Taktventile 8a bzw. 8b, welche einen alternativen Zugang zu den zwei durch die Trennwand 50 getrennten Kammern des Abgaswarmetauschers 5 bieten, eine Wahlmöglichkeit für die Entgiftung der Monolithen 4 bzw. 4' gegeben. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als sechstes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Im Gegensatz zum fünften Ausfuhrungsbeispiel sind bei diesem sechsten Ausfuhrungsbeispiel die beiden Taktventile 8a bzw. 8b durch ein einziges Umschaltventil 9 ersetzt.

Fig 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als siebentes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 7 bezeichnet zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 5' einen weiteren Abgaswarmetauscher, der stromabwärts der beiden Monolithen 4, 4' angeordnet ist. Von ihm fuhrt eine Sekundarluftleitung 30d in den ersten Abgaswarmetauscher 5. Hierin ist eine zweite Trennwand 51 vorgesehen, wobei der Einlaß 49 nunmehr in der zwischen der ersten und zweiten Trennwand 50 bzw. 51 definierten Kammer liegt. Über das Umschaltventil 9 und die weiteren Sekundarluftleitungen 30e, 30f, 30g ist auch hier eine Wahlmöglichkeit für die Entgiftung der Monolithen 4 bzw. 4' gegeben.

Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als achtes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Im Unterschied zum vorhergehenden siebenten Ausfuhrungsbeispiel ist es bei diesem achten Ausfuhrungsbeispiel durch zusätzliche Taktventile 8c und 8d möglich, die Zugabe von Sekundarluft wahlweise vorgeheizt oder ungeheizt erfolgen zu lassen. Der ungeheizte Fall stellt ein ausgezeichnetes Mittel dar, den NO -Speicherkatalysator nach einer Desulfatisierung wieder abzukühlen, um möglichst rasch zum verbrauchsoptimalen Magerbetrieb zurückzukehren, was aus Emissionsgrunden erst nach dem Zurückfuhren der Katalysatortemperatur auf ca. 400°C oder darunter möglich ist. Bis dahin ist ein Betrieb mit λ_M = 1 erforderlich.

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als neuntes Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei diesem neunten Ausfuhrungsbeispiel wird ausgenutzt, daß die Brennkraftmaschine 1 eine erste (A, D) und eine zweite (B, C) Zylindergruppe aufweist, deren Abgase an einem Punkt stromaufwärts des NO_x-Speιcherkatalysators zusammengeführt werden, wobei im Abgaszweig jeder Zylindergruppe stromaufwärts des Punktes ein entsprechender Vorkatalysator 3a, 3b vorgesehen ist, in dem keine Nachverbrennung stattzufinden hat.

Bei der einen Zylindergruppe (A, D) wird für die Hauptverbrennung im Brennraum eine erste Gemischzusammensetzung mit λ_M « 1 vorgesehen und eine Spateinspritzung in das Abgas dieser Zylinder wahrend des Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt. Daher reicht der Sauerstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für eine nennenswerte Nachverbrennung im Vorkatalysator 3b nicht aus. Bei dieser Zylindergruppe ist das Luft Kraftstoff-Verhaltnis des Abgases also unterstochiometπsch, d.h. Sauerstoff fehlt zur Nachverbrennung im Vorkatalysator.

Bei der anderen Zylindergruppe (B, C) wird für die Hauptverbrennung im Brennraum eine erste Gemischzusammensetzung mit λ_M > 1 vorgesehen und keine Spateinspritzung in das Abgas dieser Zylinder wahrend des Aussschiebetaktes der Brennkraftmaschine 1 durchgeführt Daher ist das Abgas sauerstoffreich, d.h. λ_A > 1 , und der Sauerstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases reicht ebenfalls für eine nennenswerte Nachverbrennung im Vorkatalysator 3a nicht aus. Bei dieser Zylindergruppe ist das Luft/Kraftstoff-Verhaltnis also uberstochiometrisch, d.h. Kraftstoff fehlt zur Nachverbrennung im Vorkatalysator.

Die erste und die zweite Gemischzusammensetzung sind derart bemessen, daß der

Sauerstoffgehalt des zusammengeführten Abgases der ersten und zweiten

Zylindergruppe für die Nachverbrennung im NO_x-Speιcherkatalysator 4 das Desulfatisierungs-λ < 0,98 erreicht und die Temperatur des Katalysators auf > 600°C eingestellt wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschrankt, sondern auf vielfaltige Weise modifizierbar.

Die vorstehend beschriebenen Verfahren lassen sich dadurch weiter optimieren, daß der Vorgang in zwei Phasen zerlegt wird. Eine erste Phase besteht im Aufheizen des NO_x-Speιcherkatalysators, wobei sich die tatsächliche Katalysatortemperatur unterhalb der idealen Desulfatisierungstemperatur befindet. In dieser Phase ist es von Vorteil, wenn dem Katalysator soviel Heizenergie wie möglich zugeführt wird. Nach Erreichen der idealen Desulfatisierungstemperatur, wird die zweite Phase eingeleitet, in der die ideale Desulfatisierungstemperatur nur noch gehalten wird. Die Durchfuhrung der ersten Phase ist allerdings mit dem Risiko einer Uberhitzung für den NO_x-Speιcherkatalysator verbunden. Es wird daher vorgeschlagen, den Phasenubergang unter Zuhilfenahme einer Temperaturmessung der

Katalysatortemperatur, wie sie in vielen Fallen zu Onboard-Diagnose-Zwecken ohnehin zukunftig erforderlich sein wird, zu steuern. Die gleiche Temperaturmessung ist in der zweiten Phase zur Regelung der Kraftstoffzugabe einsetzbar. Damit laßt sich größtmögliche Effizienz mit optimaler Betriebssicherheit verbinden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf eine Vierzylinder-Brennkraftmaschine beschränkt, sondern auf jegliche Anzahl von Zylindern anwendbar.

Auch kann der nachgeschaltete Katalysator stromabwärts des NO_x-Speicherkatalysators ein üblicher Dreiwege-Katalysator sein.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Desulfatisierung eines NO_x-Speιcherkatalysators im Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung mit den Schritten:

^■ Durchfuhren einer Spateinspritzung in das Abgas wahrend des Aussschiebetaktes der Brennkraftmaschine in einem Desulfatisierungsmodus und

^■ Vorsehen eines derartigen Sauerstoffuberschusses im Abgas in dem Desulfatisierungsmodus, daß im NO"-Speιcherkatalysator eine Nachverbrennung zur Desulfatisierung stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß in dem Desulfatisierungsmodus für die Hauptverbrennung im Brennraum eine derart magere Gemischzusammensetzung vorgesehen wird, daß der Sauerstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für die Nachverbrennung im NO_x-Speιcherkatalysator ausreicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß in dem Desulfatisierungsmodus der für die Nachverbrennung notwendige Sauerstoffgehalt durch eine nachträgliche Sauerstoffzugabe in das ausgeschobene Abgas erreicht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Brennkraftmaschine im Abgassystem stromaufwärts des NO_x-Speιcherkatalysators mindestens einen weiteren Katalysator aufweist, in dem keine Nachverbrennung stattzufinden hat, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Desulfatisierungsmodus für die Hauptverbrennung im Brennraum eine derart fette Gemischzusammensetzung vorgesehen wird, daß der Sauerstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für die Nachverbrennung im weiteren Katalysator nicht ausreicht und die nachträgliche Sauerstoffzugabe in das Abgas zwischen dem weiteren Katalysator und dem NO_x-Speιcherkatalysator erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Brennkraftmaschine im Abgassystem mindestens zwei hmtereinandergeschaltete NO_x-Speιcherkatalysatoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Desulfatisierungsmodus für die Hauptverbrennung im Brennraum eine derart fette Gemischzusammensetzung vorgesehen wird daß der Sauerstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für die Nachverbrennung in einem Vorkatalysator nicht ausreicht und die nachträgliche Sauerstoffzugabe in das Abgas wahlweise stromaufwärts des motornahen NO_x-Speιcherkatalysators oder zwischen den beiden NO_x-Speιcherkatalysatoren erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die nachträgliche Sauerstoffzugabe durch Zugabe vorgeheizter Luft erfolgt, welche vorzugsweise dem stromabwärts des NO_x-Speιcherkatalysators gelegenen Teil des Abgassystems entnommen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverbrennung zur Desulfatisierung in einer ersten und zweiten Phase durchgeführt wird, wobei der NO_x-Speιcherkatalysator in der ersten Phase auf eine zur Desulfatisierung erforderliche Temperatur von vorzugsweise oberhalb 600°C gebracht wird und in der zweiten Phase für eine vorbestimmte Zeitdauer auf der Temperatur gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Brennkraftmaschine eine erste und eine zweite Zylindergruppe aufweist, deren Abgase an einem Punkt stromaufwärts des NO_x-Speιcherkatalysators zusammengeführt werden, wobei im Abgaszweig jeder Zylindergruppe stromaufwärts des Punktes jeweils mindestens ein weiterer Katalysator vorgesehen ist, in dem keine Nachverbrennung stattzufinden hat, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Desulfatisierungsmodus bei der einen Zylindergruppe für die Hauptverbrennung im Brennraum eine derartige erste Gemischzusammensetzung vorgesehen wird, daß der Sauerstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für die Nachverbrennung im weiteren Katalysator nicht ausreicht und eine Spateinspritzung in das Abgas wahrend des Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine durchgeführt wird s und bei der anderen Zylindergruppe für die Hauptverbrennung im Brennraum eine derartige zweite, vorzugsweise von der ersten verschiedene Gemischzusammensetzung vorgesehen wird, daß der Brennstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für die Nachverbrennung im weiteren Katalysator nicht ausreicht und keine Spateinspritzung in das Abgas wahrend des Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, wobei die erste und die zweite Gemischzusammensetzung derart bemessen sind, daß der Sauerstoffgehalt des zusammengeführten Abgases der ersten und zweiten Zylindergruppe für die Nachverbrennung ausreicht.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Desulfatisierungsmodus ungefähr alle 70 Stunden oder alle 2000 km durchgeführt wird, insbesondere nach Beurteilung der Notwendigkeit einer Desulfatisierung anhand eines NO_x-Sensors stromabwärts des zu überwachenden NO_x-Speιcherkatalysators

10 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Desulfatisierungsmodus bei der Nachverbrennung im NO_x-Speιcherkatalysator eine Temperatur großer 600°C und ein λ-Wert < 0,98 vorherrschen.

11 Vorrichtung zur Desulfatisierung eines NO_x-Speιcherkatalysators im Abgassystem einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung mit:

- einen Direkteinspπtzungs-Steuereinnchtung zum Veranlassen einer Spateinspritzung in das Abgas wahrend des Aussschiebetaktes der Brennkraftmaschine in einem Desulfatisierungsmodus, und ^■ Gemischzusammensetzungs-Steuereinnchtung zum Vorsehen eines derartigen Sauerstoffuberschusses im Abgas in dem Desulfatisierungsmodus, daß im NO_x-Speιcherkatalysators eine Nachverbrennung zur Desulfatisierung stattfindet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischzusammensetzungs-Steuereinnchtung derart gestaltet ist, daß sie für die Hauptverbrennung im Brennraum eine derart magere Gemischzusammensetzung vorsieht, daß der Sauerstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für die Nachverbrennung ausreicht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischzusammensetzungs-Steuereinπchtung eine Sekundarluftpumpe umfaßt, mittels derer der für die Nachverbrennung notwendige Sauerstoffgehalt durch eine nachträgliche Sauerstoffzugabe in das ausgeschobene Abgas erreichbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Brennkraftmaschine im Abgassystem stromaufwärts des NO_x-Speιcherkatalysators mindestens einen weiteren Katalysator aufweist, in dem keine Nachverbrennung stattzufinden hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischzusammensetzungs-Steueremrichtung derart gestaltet ist, daß sie für die Hauptverbrennung im Brennraum eine derart fette Gemischzusammensetzung vorsieht, daß der Sauerstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für die Nachverbrennung im weiteren Katalysator nicht ausreicht und die nachträgliche Sauerstoffzugabe durch die Sekundarluftpumpe in das Abgas zwischen dem weiteren Katalysator und dem NO -Speicherkatalysator erfolgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Brennkraftmaschine im Abgassystem mindestens zwei hmteremandergeschaltete NO_x-Speιcherkatalysatoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Gemischzusammensetzungs-Steueremπchtung derart gestaltet ist, daß sie für die Hauptverbrennung im Brennraum eine derart fette Gemischzusammensetzung vorsieht, daß der Sauerstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für die Nachverbrennung in einem Vorkatalysator nicht ausreicht und die nachtragliche Sauerstoffzugabe mittels der Sekundarluftpumpe in das Abgas über eine Ventileinnchtung steuerbar wahlweise stromaufwärts des motornahen

NO_x-Speιcherkatalysators oder zwischen den beiden NO_x-Speιcherkatalysatoren erfolgt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die nachträgliche Sauerstoffzugabe durch Zugabe von durch eine Warmetauschereinπchtung vorgeheizter Luft erfolgt, welche vorzugsweise dem stromabwärts des NO_x-Speιcherkatalysators gelegenen Teil des Abgassystems entnehmbar ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Direkteinspntz-Steuereinrichtung und die Gemischzusammensetzungs-Steuereinπchtung derart gestaltet sind, daß die Nachverbrennung zur Desulfatisierung in einer ersten und zweiten Phase durchfuhrbar ist, wobei der NO_x-Speιcherkatalysator in der ersten Phase auf eine zur Desulfatisierung erforderliche Temneratur von vorzugsweise oberhalb 600°C bringbar ist und in der zweiten Phase für eine vorbestimmte Zeitdauer auf der Temperatur haltbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Brennkraftmaschine eine erste und eine zweite Zylindergruppe aufweist, deren Abgase an einem Punkt stromaufwärts des NO_x-Speιcherkatalysators zusammengeführt werden, wobei im Abgaszweig jeder Zylindergruppe stromaufwärts des Punktes jeweils mindestens ein weiterer Katalysator vorgesehen ist, in dem keine Nachverbrennung stattzufinden hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischzusammensetzungs-Steueremrichtung derart gestaltet ist, daß bei der einen Zylindergruppe für die Hauptverbrennung im Brennraum eine derartige erste Gemischzusammensetzung vorsehbar ist, daß der Sauerstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für die Nachverbrennung im weiteren Katalysator nicht ausreicht und eine Spateinspritzung in das Abgas wahrend des , Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine durchfuhrbar ist und bei der anderen Zylindergruppe für die Hauptverbrennung im Brennraum eine derartige zweite, vorzugsweise von der ersten verschiedene Gemischzusammensetzung vorsehbar ist, daß der Brennstoffgehalt des ausgeschobenen Abgases für die Nachverbrennung im weiteren Katalysator nicht ausreicht und keine Spateinspritzung in das Abgas wahrend des Aussschiebetaktes der Brennkraftmaschine durchfuhrbar ist, wobei die erste und die zweite Gemischzusammensetzung derart bemessen sind, daß der Sauerstoffgehalt des zusammengeführten Abgases der ersten und zweiten Zylindergruppe für die Nachverbrennung ausreicht.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitgebereinrichtung vorgesehen ist, welche bewirkt, daß der Desulfatisierungsmodus ungefähr alle 70 Stunden oder alle 2000 km durchfuhrbar

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein NO_x-Sensor zur Beurteilung der Notwendigkeit einer Desulfatisierung stromabwärts des zu überwachenden NO_x-Speιcherkatalysators vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Direkteinspntz-Steuereinπchtung und die

Gemischzusammensetzungs-Steuereinπchtung derart gestaltet sind, daß in dem

Desulfatisierungsmodus bei der Nachverbrennung im NO_x-Speιcherkatalysator eine Temperatur großer 600°C und ein λ-Wert < 0,98 vorherrschen