DE19933029A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Desulfatisierung eines NOx-Speicherkatalysators - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Desulfatisierung eines NO x -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 NO x -Speicherkatalysator (4) eine Nachverbrennung zur Desulfatisierung stattfindet.

Description

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

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 fördert die Nachverbrennung von reaktivem CO und HC zu ungefährlichem Kohlendioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) 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 NO_x gleichzeitig abbaut. Er hat ein Röhrengerüst 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 stöchiometrisch zusammengesetzt ist. Eine stöchiometrische 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 Steuergerät. 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 nötige Abgashomogenität vorhanden ist.

Um das Verbrauchspotential besonders eines direkt einspritzenden Ottomotors vollständig zu nutzen, ist es erforderlich, den Motor mit Luftüberschuß, 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-Speicherkatalysator eine aussichtsreiche Alternative dar. Im Neuzustand eines solchen NO_x-Speicherkatalysators können heute bekannte bzw. geltende Abgasgrenzwerte eingehalten werden.

Allerdings weist der NO_x-Speicherkatalysator, der NO_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 während des Betriebs in Abhängigkeit vom Schwefelgehalt des Kraftstoffs vergiftet und im Laufe der Zeit seine NO_x-Speicherfunktion 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 schädigen Temperaturen von über 750°C die bisher bekannten NO_x-Speichermaterialien thermisch. Solche günstigen Desulfatisierungsbedingungen 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 darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Desulfatisierung eines NO_x-Speicherkatalysators anzugeben, wodurch die Desulfatisierung unabhängig von den vom Fahrer vorgegebenen Betriebszuständen durchgeführt werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Desulfatisierung eines NO_x-Speicherkatalysators 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 Betriebszuständen der Brennkraftmaschine durchführbar ist und darüber hinaus nicht vom Fahrer als störend bemerkbar ist.

Die vorliegende Erfindung macht sich die auf direkt einspritzende Motoren beschränkte Möglichkeit zunutze, dem verbrannten Abgas während der Ausschiebephase bzw. Ausstoßphase, also bei offenem Auslaßventil, erneut Kraftstoff zuzugeben, was auch als Späteinspritzung bezeichnet wird. Ein weiterer Vorteil einer solchen Direkteinspritzung besteht darin, daß die Zusammensetzung des Luft-Kraftstoff-Gemischs, also der λ-Wert, zur Erzeugung der Motorleistung innnerhalb systemabhängiger Grenzen frei wählbar 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_K), 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 Späteinspritzung nach erfolgter Verbrennung der λ-Wert λ_K zumindest auf den oberen Grenzwert des λ-Wertes zur Entgiftung λ_K = 0,98 eingestellt wird und die eingesetzte Späteinspritzmenge geeignet ist, im NO_x-Speicherkatalysator 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 Sauerstoffüberschuß gewählt werden, damit durch die Späteinspritzung 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-Speicherkatalysator 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 mitgeführten Heizwert sofort freisetzen würde. 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 Sekundärluftpumpe, das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einem Vorkatalysator einzusetzen. Dabei wird der zur Aufheizung des NO_x-Speicherkatalysators notwendige zusätzliche Kraftstoff wie bei der ersten Variante dem Abgas hinzugefügt. Durch eine geeignete Steuerung bzw. Regelung der zur Leistungserzeugung erforderlichen Hauptverbrennung mit Kraftstoffüberschuß, d. h. fettes Gemisch (λ < 1), enthält hier allerdings das Abgas, welches von der Hauptverbrennung herrührt nur wenig Sauerstoff (O₂), so daß der nachträglich mit Späteinspritzung beigefügte Kraftstoff den jeweiligen Vorkatalysator ohne nennenswerte chemische Reaktion passieren kann. Der zur Heizwertfreisetzung im NO_x-Speicherkatalysator erforderliche Sauerstoff wird dem Abgas erst nach dem Vorkatalysator mittels der Sekundärluftpumpe zugegeben, so daß der gewünschte Heizeffekt erst im NO_x-Speicherkatalysator auftritt.

Während bei der zweiten Variante bedingte durch den Einsatz des Vorkatalysators und der Sekundärluftpumpe 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-Speicherkatalysator 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 Abgasführung 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 schlägt 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 unterstöchiometrisch ohne wesentliche Sauerstoffanteile im Abgas zu betreiben. Dem entsprechenden sauerstoffarmen Abgas kann mittels Späteinspritzung eine beliebige Quantität an unverbranntem Benzin beigefügt werden ohne daß eine unkontrollierte Umsetzung im Vorkatalysator stattfindet. Die andere Zylindergruppe wird überstöchiometrisch betrieben, so daß das dort entstehende Abgas eine hohe Konzentration an Sauerstoff aufweist. Die beiden Vorgänge 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 führt.

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

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

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

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

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

Fig. 1a eine Darstellung der Temperaturerhöhung bei einer Variation des λ-Wertes beim ersten Ausführungsbeispiel zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens,

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

Fig. 2a eine Darstellung der Temperaturerhöhung bei einer Variation des λ-Wertes beim zweiten Ausführungsbeispiel zur Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens,

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

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

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

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

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

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

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als neuntes Ausführungsbeispiel 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 Ausführungsbeispiel 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-Speicherkatalysator und 4a einen nachgeschalteten Dreiwege-Katalysator sowie 6 einen Nachschalldämpfer.

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

Im Desulfatisierungsmodus erfolgt durch geeignete Steuerung der Direkteinspritzung eine Späteinspritzung in das Abgas während des Ausschiebetaktes.

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

Fig. 1a zeigt eine Darstellung der Temperaturerhöhung bei einer Variation des λ-Wertes bei der ersten Ausführungsform zur Illustration des erfindungsgemäßen 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_e von 0,2 kJ/dm³.

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

Das Ziel-λ_K bzw. Ziel-λ_A zur Desulfatisierung liegt bei 0,98 und die Ziel-Katalysatortemperatur T_K bei 700°C.

Diese Zielwerte werden erreicht durch λ_M = 1,8 sowie eine durch eine Späteinspritzung bewirkte λ_K-Änderung 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_K auf 0,98 zusammen mit dem im ausgeschobenen Abgas enthaltenen Sauerstoff bei der Nachverbrennung im NO_x-Speicherkatalysator 4 genau die Desulfatisierungstemperatur < 600°C einstellt.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine mit einer Direkteinspritzung als zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel 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 Sekundärluftleitung 30 eine Sekundärluftpumpe 7 angeschlossen.

Der zur Aufheizung des NO_x-Speicherkatalysators 4 notwendige zusätzliche Kraftstoff wird, wie beim ersten Ausführungsbeispiel dem Abgas hinzugefügt. Durch eine geeignete Steuerung bzw. Regelung der zur Leistungserzeugung erforderlichen Hauptverbrennung mit Kraftstoffüberschuß, d. h. fettes Gemisch, enthält hier allerdings das Abgas nur wenig Sauerstoff (O₂), so daß der nachträglich mit Späteinspritzung beigefügte Kraftstoff den jeweiligen Vor- oder Startkatalysator 3a, 3b ohne nennenswerte chemische Reaktion passieren kann.

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

Fig. 2a zeigt eine Darstellung der Temperaturerhöhung bei einer Variation des λ-Wertes bei der zweiten Ausführungsform zur Illustration des erfindungsgemäßen 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_K = 3,2, wodurch eine Abgastemperatur T_A von 320°C und eine Katalysatortemperatur T_K von 250°C erreicht wird.

Das Ziel-λ_K bzw. Ziel-λ_A zur Desulfatisierung liegt bei 0,98 und die Ziel-Katalysatortemperatur T_K bei 700°C.

Diese Zielwerte werden erreicht durch λ_M = 1,0, λ_A = 0,82 und λ_K = 0,98, eine durch eine Späteinspritzung bewirkte λ_K-Änderung Δλ₁, und eine durch die Sekundärluftzugabe bewirkte λ_A-Änderung 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 Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel bilden zwei hintereinander angeordnete Monolithen 4,4' den NO_x-Speicherkatalysator. Hier wird mit einer mittels der Taktventile 8a bzw. 8b steuerbaren Sekundärluftzuführung zwischen den beiden Monolithen 4,4' die Möglichkeit geschaffen, die Heizwertfreisetzung durch Zugabe der Sekundärluft von der Sekundärluftpumpe 7 durch die Sekundärluftleitungszweige 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 Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Im Gegensatz zum dritten Ausführungsbeispiel sind bei diesem vierten Ausführungsbeispiel 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 Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel bezeichnen zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 5 einen die NO_x-Speicherkatalysatoren umhüllenden Abgaswärmetauscher, 50 eine Trennwand und 49 eine Einlaßöffnung oberhalb des zweiten Monolithen 4'. Der Abgaswärmetauscher 5 ist durch eine weitere Sekundärluftleitung 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 Sekundärluft dadurch vorgeheizt, daß stromabwärts der zu regenerierenden Katalysatoren 4,4' aus dem Abgasstrom durch den Abgaswärmetauscher 5 ein Teil des freigesetzten Heizwertes auf die Sekundärluft übertragen wird.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist durch die Taktventile 8a bzw. 8b, welche einen alternativen Zugang zu den zwei durch die Trennwand 50 getrennten Kammern des Abgaswärmetauschers 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 Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Im Gegensatz zum fünften Ausführungsbeispiel sind bei diesem sechsten Ausführungsbeispiel 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 Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 7 bezeichnet zusätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen 5' einen weiteren Abgaswärmetauscher, der stromabwärts der beiden Monolithen 4,4' angeordnet ist. Von ihm führt eine Sekundärluftleitung 30d in den ersten Abgaswärmetauscher 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 Sekundärluftleitungen 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 Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Im Unterschied zum vorhergehenden siebenten Ausführungsbeispiel ist es bei diesem achten Ausführungsbeispiel durch zusätzliche Taktventile 8c und 8d möglich, die Zugabe von Sekundärluft wahlweise vorgeheizt oder ungeheizt erfolgen zu lassen. Der ungeheizte Fall stellt ein ausgezeichnetes Mittel dar, den NO_x-Speicherkatalysator nach einer Desulfatisierung wieder abzukühlen, um möglichst rasch zum verbrauchsoptimalen Magerbetrieb zurückzukehren, was aus Emissionsgründen erst nach dem Zurückführen 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 Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Bei diesem neunten Ausführungsbeispiel 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-Speicherkatalysators 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 Späteinspritzung in das Abgas dieser Zylinder während 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-Verhältnis des Abgases also unterstöchiometrisch, 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 Späteinspritzung in das Abgas dieser Zylinder während des Ausschiebetaktes 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-Verhältnis also überstöchiometrisch, 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-Speicherkatalysator 4 das Desulfatisierungs-λ ≦ 0,98 erreicht und die Temperatur des Katalysators auf < 600°C eingestellt wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige 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-Speicherkatalysators, 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 Durchführung der ersten Phase ist allerdings mit dem Risiko einer Überhitzung für den NO_x-Speicherkatalysator verbunden. Es wird daher vorgeschlagen, den Phasenübergang unter Zuhilfenahme einer Temperaturmessung der Katalysatortemperatur, wie sie in vielen Fällen zu Onboard-Diagnose-Zwecken ohnehin zukünftig erforderlich sein wird, zu steuern. Die gleiche Temperaturmessung ist in der zweiten Phase zur Regelung der Kraftstoffzugabe einsetzbar. Damit läßt 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 (21)

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

• - Durchführen einer Späteinspritzung in das Abgas während des Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine in einem Desulfatisierungsmodus und
• - Vorsehen eines derartigen Sauerstoffüberschusses im Abgas in dem Desulfatisierungsmodus, daß im NO_x-Speicherkatalysator 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-Speicherkatalysator 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-Speicherkatalysators 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-Speicherkatalysator erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Brennkraftmaschine im Abgassystem mindestens zwei hintereinandergeschaltete NO_x-Speicherkatalysatoren 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-Speicherkatalysators oder zwischen den beiden NO_x-Speicherkatalysatoren 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-Speicherkatalysators 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-Speicherkatalysator 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-Speicherkatalysators 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 Späteinspritzung in das Abgas während des Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine durchgeführt wird 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 Späteinspritzung in das Abgas während 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-Speicherkatalysators.

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

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

• - einer Direkteinspritzungs-Steuereinrichtung zum Veranlassen einer Späteinspritzung in das Abgas während des Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine in einem Desulfatisierungsmodus und
• - Gemischzusammensetzungs-Steuereinrichtung zum Vorsehen eines derartigen Sauerstoffüberschusses im Abgas in dem Desulfatisierungsmodus, daß im NO_x-Speicherkatalysators eine Nachverbrennung zur Desulfatisierung stattfindet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischzusammensetzungs-Steuereinrichtung 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-Steuereinrichtung eine Sekundärluftpumpe 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-Speicherkatalysators mindestens einen weiteren Katalysator aufweist, in dem keine Nachverbrennung stattzufinden hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemischzusammensetzungs-Steuereinrichtung 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 Sekundärluftpumpe in das Abgas zwischen dem weiteren Katalysator und dem NO_x-Speicherkatalysator erfolgt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Brennkraftmaschine im Abgassystem mindestens zwei hintereinandergeschaltete NO_x-Speicherkatalysatoren aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Gemischzusammensetzungs-Steuereinrichtung 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 nachträgliche Sauerstoffzugabe mittels der Sekundärluftpumpe in das Abgas über eine Ventileinrichtung steuerbar wahlweise stromaufwärts des motornahen NO_x-Speicherkatalysators oder zwischen den beiden NO_x-Speicherkatalysatoren erfolgt.

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

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Direkteinspritz-Steuereinrichtung und die Gemischzusammensetzungs-Steuereinrichtung derart gestaltet sind, daß die Nachverbrennung zur Desulfatisierung in einer ersten und zweiten Phase durchführbar ist, wobei der NO_x-Speicherkatalysator in der ersten Phase auf eine zur Desulfatisierung erforderliche Temperatur 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-Speicherkatalysators 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-Steuereinrichtung 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 Späteinspritzung in das Abgas während des Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine durchführbar 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 Späteinspritzung in das Abgas während des Ausschiebetaktes der Brennkraftmaschine durchführbar 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 durchführbar ist.

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-Speicherkatalysators vorgesehen ist.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Direkteinspritz-Steuereinrichtung und die Gemischzusammensetzungs-Steuereinrichtung derart gestaltet sind, daß in dem Desulfatisierungsmodus bei der Nachverbrennung im NO_x-Speicherkatalysator eine Temperatur größer 600°C und ein λ-Wert ≦ 0,98 vorherrschen.