DE19626837A1 - Dieselbrennkraftmaschine mit NOx-Speicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Dieselbrennkraftmaschine mit NOx- Speicher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Für Otto-Magermotoren sind NOx-Speicherkatalysatoren bekannt, die im mageren Betrieb die Stickoxide zunächst bis zur von der Katalysatorauslegung abhängigen Belastungsgrenze einlagern. Anschließend erfolgt ein kurzer stöchiometrischer oder leicht fetter Betrieb zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators, mit nachfolgend wieder magerer Betriebs­ weise. Der Rückhaltegrad dieser NOx-Speicherkatalysatoren ist sehr hoch, die gesamte NOx-Reduktion mit Speicherentladung und NOx-Umsetzung bei λ 1 beträgt bei Mager- Ottomotoren im Neuzustand < 90%. Prinzipiell sind solche NOx-Speicherkatalysatoren auch bei Dieselfahrzeugen einsetzbar, wobei eine gewisse größere Dimensionierung zur Kompensation der SOx-Einlagerungen vorteilhaft ist. Im Gegensatz zu Ottomotoren arbeiten Dieselmotoren jedoch stets mit Luftüberschuß, so daß während allen Betriebszuständen λ < 1 ist. Eine Beladung des NOx-Speicherkatalysators wäre somit zwar problemlos möglich, eine Regeneration durch Anfetten des Abgases mittels beispielsweise Einspritzung von Kraftstoff in den Abgasstrang würde aber einerseits zu einem nicht tolerierbaren Ver­ brauchsanstieg und andererseits, wegen des hohen Sauerstoffgehalts der Dieselabgase, zu einer hohen Oxidationswärme führen, da vor der Umsetzung des gespeicherten NOx der eingedüste Kraftstoff oxidiert wird. Hierdurch besteht die Gefahr einer Zerstörung des Kata­ lysators.

Aus der DE 43 42 062 A ist eine Abgasreinigungsvorrichtung für Dieselbrennkraftmaschinen bekannt, bei der der NOx-Speicher zum Regenerieren vom Abgasstrom abgesperrt wird. Dies geschieht regelmäßig dann, wenn der Speicher seine Kapazität erreicht hat. Um während des Regenerierens weiterhin keine NOx-Emissionen zu haben, wird der Abgas­ strom über einen zweiten NOx-Speicher geführt. Alternativ wird der Abgasstrom gedrosselt und ein komplizierter Regenerierungsalgorithmus eingeleitet. Hierbei ist die Funktionssicher­ heit problematisch. Außerdem bedingt die Verdoppelung des NOx-Speichers einen erhebli­ chen Aufwand, wobei trotz des Aufwands nur bedingt eine gute Abgasreinigung erreicht wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dieselbrennkraftmaschine mit einem ein­ fachen NOx-Speichersystem auszurüsten, wobei gute Abgasreinigungswerte erzielt werden sollen. Aufgabe ist auch ein entsprechendes Verfahren.

Bei dem eingangs beschriebenen Verfahren wird diese Aufgabe gelöst mit den kennzeich­ nenden Maßnahmen der Ansprüche 1, 6 und/oder 8; bei der Dieselbrennkraftmaschine wird die Aufgabe gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10.

NOx-Speicherkatalysatoren enthalten beispielsweise Oxide bzw. Carbonate der Alkali, Erdalkali und/oder Seltenerdmetallen, die bei Durchströmung mit einem mageren Abgas Stickoxide in Form von Nitrat oder Nitrit einlagern und bei Durchströmung mit stöchiometri­ schem oder fettem Abgas diese wieder freisetzen, wobei in einer mit 3-Wege-Katalysatoren vergleichbaren Arbeitsweise bei der Reduktion der Stickoxide zu Stickstoff Kohlenwasser­ stoffe zu Wasser und Kohlendioxid oxidiert werden. Ein solcher üblicher NOx-Speicher­ katalysator, wie er auch in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann, ist in der DE 43 42 062 A beschrieben.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Dieselbrennkraftmaschine, bei dem der Abgasstrom der Dieselbrennkraftmaschine über einen NOx-Speicher geschickt wird, erfolgt die Regeneration vorteilhaft unter einem Teilabgasstrom oder unter völligem Aus­ schluß des Dieselabgasstroms, d. h. zumindest der überwiegende Anteil des Abgasstroms der Dieselbrennkraftmaschine wird bei der Regeneration des NOx-Speichers vor diesem abgezweigt.

Vorteilhaft werden maximal 25% der während der Regeneration von der Dieselbrennkraft­ maschine ausgestoßenen Abgase und insbesondere werden maximal 10% des Abgas­ stroms bei der Regeneration durch den NOx-Speicher geleitet.

Erfindungsgemäß wird der NOx-Speicher - anders als im Stand der Technik - nicht erst dann regeneriert, wenn seine NOx-Speicherfähigkeit droht zu erschöpfen, sondern bereits gezielt bei bestimmten Betriebsbedingungen der Dieselbrennkraftmaschine. Diese Betriebsbedin­ gungen sind solche mit einem durchschnittlich geringen NOx-Gehalt im Abgasstrom, wobei insbesondere Schubphasen, aber auch Leerlaufphasen geeignet sind. Ebenso kann die Regeneration auch temperaturbestimmt sein, wobei hier zwei Kriterien eine Rolle spielen, nämlich zum einen abnehmende Abgastemperatur und zum anderen das Unterschreiten eines vorbestimmten Temperaturwertes. Der vorbestimmte Temperaturwert kann ein Erfah­ rungswert sein, wobei insbesondere Temperaturwerte 200°C geeignet sind, er kann jedoch auch ein Wert sein, der sich nach der Speicherfähigkeit des NOx-Speichers in Abhängigkeit der Temperatur bestimmt, wobei hier auf die abnehmende NOx-Speicherfähig­ keit mit abnehmender Temperatur abgestellt wird. Vorzugsweise erfolgt das Regenerieren bei oder unterhalb einer Temperatur, bei der die NOx-Speicherfähigkeit auf 90% und ins­ besondere 80% der NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speichers bei 300°C abgesunken ist. Vorteilhafterweise liegt die Temperatur nicht unterhalb der Temperatur, bei der der NOx- Speicher noch mindestens 30% und insbesondere noch mindestens 40% seiner NOx- Speicherfähigkeit (bezogen auf 300°C) hat.

Bei einem Regenerieren unter diesen Betriebsbedingungen kann für den von dem NOx- Speicher gesperrten Abgasstrom auf eine NOx-Speicherung oder Drosselung in aller Regel verzichtet werden, da dieser Abgasstrom kaum NOx enthält. Ein Verzicht auf einen NOx- Speicher herkömmlicher Art kann hierbei sogar vorteilhaft sein, da der kalte Abgasstrom zu einer Abkühlung des NOx-Speichers führt, der hierdurch in seiner NOx-Speicherfähigkeit stark nachläßt. Aus diesem Grunde kann es auch vorteilhaft sein, wenn das Absperren andauert, bis mindestens eine der oben beschriebenen Bedingungen für das Absperren nicht mehr vorliegt.

Neben den oben beschriebenen Auswahlkriterien für den Beginn der Regeneration kann - wie bisher üblich - auch ein Regenerieren erfolgen, wenn die oben genannten Kriterien nicht vorliegen, der NOx-Speicher jedoch weitgehend oder vollständig erschöpft ist. Dies kann beispielsweise bei einer anhaltenden hohen Last der Dieselbrennkraftmaschine der Fall sein. Vorteilhaft fallen jedoch mindestens 50% und insbesondere mindestens 75% der Regene­ rierzeit beim durchschnittlichen Betrieb der Brennkraftmaschine unter die erfindungs­ gemäßen Kriterien.

Mit der vorliegenden Erfindung wird erreicht, daß die kalten Abgase des an sich betriebs­ warmen Motors, die einen nur sehr geringen NOx-Anteil enthalten, den NOx-Speicher nicht auskühlen, so daß dieser seine NOx-Speicherfähigkeit behält, um bei einem anschließenden Anstieg des NOx im Abgas eine hohe Wirksamkeit zu besitzen.

Zweckmäßigerweise wird zur Regeneration des NOx-Speichers vor diesen in die Abgas­ anlage Kraftstoff eingespritzt, der beim Durchströmen des NOx-Speichers wie oben beschrieben reagiert. Vorteilhaft wird hierbei der Abgasstrom so weit reduziert, daß er als Trägerstrom für den eingedüsten Kraftstoff ausreicht. Statt des Abgasstroms oder zusätzlich können auch Luft oder beispielsweise Brennerabgase als Trägerstrom für den eingedüsten Kraftstoff diesem und dem NOx-Speicher zugeführt werden. Statt der Kraftstoffeindüsung kann ein NOx-Reduktionsmittel auch auf andere Weise zugeführt werden, beispielsweise in Form von fetten Abgasen einer Brennvorrichtung, beispielsweise eines Brenners. Vorzugsweise wird jedoch die Kraftstoffeindüsung zur Regeneration eingesetzt, da diese verhältnismäßig wenig aufwendig und gut dosierbar ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sitzt der NOx-Speicher in einem ersten Zweig der Abgasanlage und bei der Regeneration wird der zumindest überwiegende Teil des vorlie­ genden Abgasstroms über einen zweiten Zweig unter Umgehung des NOx-Speichers geführt. In einer weiteren günstigen Ausgestaltung können die beiden Abgaszweige wieder nach dem NOx-Speicher vereinigt werden, wobei vorteilhaft in dem wiedervereinigten Teil der Abgasanlage weitere Abgasbehandlungen hinsichtlich Geräusch und/oder Abgasentgif­ tung vorgenommen werden. Insbesondere lassen sich in diesem wiedervereinigten Teil ein Oxidationskatalysator und/oder ein Rußfilter unterbringen. In dem zweiten Zweig kann vor­ teilhaft ein zweiter NOx-Speicher untergebracht sein, der gleich dem ersten NOx-Speicher ausgebildet sein kann, vorzugsweise jedoch, ins besondere wenn die Regeneration des ersten NOx-Speichers bei geringem NOx-Gehalt im Abgasstrom je Zeiteinheit erfolgt, kann der zweite NOx-Speicher kleiner ausgeführt sein. Dieser zweite NOx-Speicher läßt sich analog dem ersten NOx-Speicher regenerieren, wenn durch den ersten NOx-Speicher überwiegende Teile (analog wie oben beschrieben) des Abgasstroms geführt werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann in dem zweiten Zweig auch ein Oxidationskatalysator untergebracht sein, der dann aufgrund seiner Nähe zum Motor schneller anspringt als ein in dem zusammengeführten Teil der Abgasanlage untergebrachter Oxidationskatalysator. Da auch der NOx-Speicher im mageren Abgas eine Wirkung als Oxidationskatalysator hat, ist eine Oxidation von CO und HC während des NOx-Speicherns und der Regeneration des NOx-Speichers stets sichergestellt. Die Verwendung eines Oxidationskatalysators im zusammengeführten Teil der Abgasanlage bringt insbesondere bei der Regeneration und bei hoher Motorlast den Vorteil, daß zwei Oxidationskatalysatoren (NOx-Speicher und Oxida­ tionskatalysator im zusammengeführten Teil) hintereinander geschaltet sind und somit eine besonders effektive CO- und HC-Reinigung stattfindet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform wird beim Eindüsen von Kraftstoff (oder Durchleiten von Abgasen mit hohem oxidierbaren Anteil) die Oxidationskatalysatorwirkung des NOx-Speichers ausgenutzt oder diesem ein Oxidationskatalysator vorgeschaltet, in dem in Gegenwart von Sauerstoff die oxidierbaren Bestandteile (Kraftstoff) unter Wärmeentwick­ lung oxidiert werden, um den NOx-Speicher aufzuheizen. Dies ist insbesondere bei wirkungsgradoptimierten Dieselmotoren und besonders bei Turboaufladung zweckmäßig, da hier hohe Abgasmassenströme bei geringen Temperaturen vorliegen. Bei solchen Diesel­ motoren kann während Schwachlastphasen die für die NOx-Speicherung erforderliche Mindesttemperatur (üblicherweise mindestens 200°C) unterschritten werden. Ferner ver­ streicht auch beim Kaltstart (kalter Katalysator) stets eine gewisse Zeit bis zum Erreichen dieser Mindesttemperatur. Durch die beschriebene Maßnahme wird eine zusätzliche NOx- Speicherheizung zur Verfügung gestellt, die sowohl die Aufheizzeit verkürzt als auch bei zu geringen Abgastemperaturen beim Betrieb der Brennkraftmaschine hinreichende Kataly­ satortemperaturen gewährleistet. In einer weiteren Ausführungsform kann dies auch mit einem Brenner erreicht werden. Üblicherweise haben Brenner für Dieselkraftstoff eine leicht magere Abstimmung, so daß zur Regeneration des NOx-Speichers eine zusätzliche Kraft­ stoffeindüsung erforderlich ist. Falls durch brennerseitige Maßnahmen auch ein Betrieb bei λ < 1 zumindest kurzzeitig möglich ist, kann diese Eindüsung entfallen.

In einer weiteren Ausgestaltung kann die NOx-Speicherbeheizung auch mit einem E-Kat (elektrisch beheizter Katalysator) erfolgen. Elektrisch beheizte Vorkatalysatoren sind bei Ottomotoren seit längerem bekannt und erprobt. Bei Dieselmotoren ist die Verwendung eines Vollstrom-E-Kats nicht sinnvoll, da zum einen der Abgasmassenstrom wesentlich höher ist als bei Ottomotoren und überdies vergleichsweise geringe CO- und HC-Rohemis­ sionen zur katalytischen Verbrennung bereitstehen. Zur Erzielung der gleichen Wirksamkeit wie bei vergleichbaren Ottomotoren sind wegen der Auskühlung durch den hohen Abgas­ massenstrom sowie als Folge der geringen katalytischen Umsetzung insbesondere bei auf­ geladenen direkt einspritzenden Dieselmotoren E-Kat-Ströme von 300 bis 500 A bei 12 V erforderlich. Bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch der Einsatz einer E-Kat-Beheizung des NOx-Speichers möglich. In diesem Fall kann der E-Kat einerseits bei der Regeneration des NOx-Speichers betrieben werden, d. h. dem E-Kat werden über einen geringen Teil­ strom des Abgasstromes und/oder durch eine zusätzliche Lufteinblasung sauerstoffhaltige Gase zugeführt, die er mit zusätzlich eingedüstem Kraftstoff katalytisch unter Wärme­ entwicklung umsetzt. Die Gesamtheizleistung sowie das eventuell vorliegende Luft-Abgas­ teilstrom-Verhältnis wird durch die Kraftstoffeindüsung bestimmt. Durch diese Maßnahme wird einerseits der Sauerstoffanteil bei der Regeneration gesenkt (die Regeneration ist nur bei einem geringen Sauerstoffanteil im Gasstrom durch den Katalysator möglich) und andererseits wird die zur Regeneration erforderliche Temperatur sichergestellt. Darüber hin­ aus kann der E-Kat auch beim Durchführen des überwiegenden Teils des Abgasmassen­ stroms durch den NOx-Speicher (NOx-Speicher wirkt als Speicher) eingesetzt werden, hierbei ebenfalls mit Kraftstoffeindüsung, wobei bei dieser Verfahrensweise der E-Kat nur eine solche Temperatur erreichen muß, daß der eingedüste Kraftstoff oxidiert wird, wobei wiederum die entstehende Wärme zur Sicherung der notwendigen NOx-Speicherungs­ temperatur dient. Die Stromaufnahme eines solchen E-Kats, insbesondere im Teilstrom­ betrieb, kann mit ca. 30-60 A angesetzt werden und stellt somit gegenüber Otto-E-Kats geringere Anforderungen an das Bordnetz und die Ansteuerung.

Die Heizsysteme bieten den Vorteil, daß neben der Beheizung des NOx-Speichers auch das Aufheizverhalten eines nachgeschalteten Oxidationskatalysators verbessert wird. Vorteilhaft können beide Heizsysteme auch Wärme zur Regeneration möglicher Sulfateinlagerungen in dem NOx-Speicher und zum Regeneration eines nachgeschalteten Partikelfilters (Rußfilter) zur Verfügung stellen. So kann beispielsweise durch den Brenner bzw. den E-Kat mit Kraftstoffeindüsung eine Temperatur von oberhalb 700°C im Gasstrom durch den NOx- Speicher erreicht werden, wodurch Sulfateinlagerungen bei Lambden < 1 entfernt werden. Zweckmäßigerweise wird eine so hohe Temperatur nur bei Bedarf oder, falls der nur schwer feststellbar ist, nach einer festgelegten Zahl von NOx-Speicherregenerationen (NOx-Entfer­ nung) durchgeführt werden. Hierdurch wird das System nicht zu stark belastet. Die Sulfat­ regeneration kann beispielsweise bei jeder zehnten, zwanzigsten oder auch fünfzigsten NOx-Regeneration stattfinden.

Erfindungsgemäß erfolgt die Regeneration des NOx-Speichers bei einem geringen NOx- Gehalt im Abgasstrom je Zeiteinheit, d. h. insbesondere in Schubphasen und ggf. (je nach Dieselkraftmaschine) auch/oder in Leerlaufphasen. Diese Phasen machen bei dem üblichen Betrieb eines Kraftfahrzeuges einen hohen Zeitanteil aus, wobei hier die NOx-Emissionen nur bei etwa 10% liegen. Die nachfolgende Tabelle zeigt den Zeitanteil und die NOx- Emissionen bei einem VW Golf III mit 66 kW Turbodiesel-Direkteinspritzermotor im MVEG- Zyklus.

Hieraus ist ersichtlich, daß wenn ausschließlich im Schubbetrieb der NOx-Speicher regene­ riert wird (ggf. auch mit gewissen Anteilen im Leerlaufbetrieb), praktisch keine NOx-Emis­ sionen bzw. zumindest eine Reduzierung der NOx-Emissionen um etwa 90% erreichbar sind.

Die zu der Erfindung gehörende Dieselbrennkraftmaschine weist eine Abgasanlage auf, in der ein NOx-Speicher angeordnet ist. In Strömungsrichtung vor dem NOx-Speicher ist eine Abzweigung vorgesehen, durch die wahlweise zumindest ein Teil des Abgasstromes führbar ist. Der durch die Abzweigung geführte (Teil-)Strom strömt nicht durch den NOx-Speicher. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, die den Abgasstrom an der Abzweigung aufteilen. Diese Mittel enthalten eine Steuerung, die in Zusammenwirkung mit den Mitteln den Abgasstrom bei einer NOx-Speicherung zumindest überwiegend, vorzugsweise zu mindestens 75% und insbesondere zu mindestens 90% über den NOx-Speicher führt und zumindest zeitweilig bei der Regeneration des NOx-Speichers den überwiegenden Anteil des Abgasstroms, vorteilhaft zu mindestens 75% und insbesondere mindestens 90% des Abgasstromes über die Abzweigung an dem NOx-Speicher vorbeiführt. Die Kriterien für das Abzweigen des Abgasstromes sind hierbei die des oben beschriebenen Verfahrens.

Die Dieselbrennkraftmaschine enthält vorteilhaft weiterhin noch die oben beim Verfahren beschriebenen Elemente. Die Vorrichtung und das Verfahren finden vorzugsweise Einsatz in einem Kraftfahrzeug.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine Abgasreinigung mit NOx-Speicher und Oxidationskatalysator;

Fig. 2 die Abgasreinigung gemäß Fig. 1 mit einem Brenner;

Fig. 3 die Abgasreinigung gemäß Fig. 1 mit einem E-Kat;

Fig. 4 eine Abgasreinigung mit zwei NOx-Speichern;

Fig. 5 die Abgasreinigung gemäß Fig. 4 mit einem Brenner;

Fig. 6 die Abgasreinigung gemäß Fig. 4 mit E-Kat; und

Fig. 7 ein NOx-Abgastemperatur-Diagramm.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Abgasanlage 1 werden die Abgase von einer (nicht dargestellten) Dieselbrennkraftmaschine (Selbstzünder) über einen Turbolader 2 zu einer Abgasweiche 3 geführt. Die Abgasweiche 3 weist zwei Klappen auf, die wechselseitig offen bzw. geschlossen sind. Hierdurch werden ein erster Zweig 4 oder ein zweiter Zweig 5 der Abgasanlage 1 für den Abgasstrom freigegeben. Dargestellt ist eine Freigabe des ersten Zweigs 4, in den in Strömungsrichtung gesehen (Pfeil) nach der Abgasweiche 3 eine Kraft­ stoffeindüsung 6 mündet. Weiter in Strömungsrichtung abwärts von der Kraftstoffeindüsung 6 ist ein NOx-Speicherkatalysator in den ersten Zweig 4 eingesetzt, der in Strömungsrich­ tung für den Abgasstrom durchlässig ist und im wesentlichen vom gesamten Abgasstrom, der durch den ersten Zweig 4 geführt wird, durchströmt wird. Weiter stromabwärts ist nach dem NOx-Speicherkatalysator 7 eine Lambda- und/oder Temperatursonde in den ersten Zweig 4 geführt. Stromabwärts von der Sonde 8 werden die beiden Zweige 4 und 5 wieder vereinigt 9 (auch hier könnte die Abgasweiche vorgesehen sein), so daß der gesamte Abgasstrom durch ein Endrohr 10 der Abgasanlage geführt wird. Nach dem Endrohr 10 kön­ nen noch Schalldämpfer oder andere Teile von Abgasanlagen angeschlossen sein.

In dem zweiten Zweig 5 und/oder im Endrohr 10 können Oxidationskatalysatoren 11 und 12 vorgesehen sein.

Bei dieser Abgasanlage 1 wird über die zwei alternierend gekoppelten Klappen 3 jeweils nur ein Zweig der parallel laufenden Abgasstränge 4 und 5 freigegeben. Während Beschleu­ nigungsvorgängen der Brennkraftmaschine und in Konstantfahrphasen ist der erste Zweig 4 geöffnet, so daß der Abgasstrom zunächst den NOx-Speicherkatalysator 7 durchströmt, in dem anfallende Stickoxide eingelagert werden. Über dies wirkt der NOx-Speicherkat in dem mageren Dieselabgas als Oxidationskatalysator, so daß gleichzeitig eine CO- und HC- Umsetzung stattfindet. Sofern diese nicht ausreichend ist, wird zusätzlich noch der Oxida­ tionskatalysator 12 vorgesehen. In einer anschließenden Schub- und ggf. auch Leerlauf­ phase der Dieselbrennkraftmaschine wird die Abgasweiche 3 umgeschaltet, so daß der erste Zweig 4 geschlossen und der zweite Zweig 5 geöffnet ist. Sofern bei diesen Betriebsphasen zuviel CO und/oder HC im Abgas ist, kann hier in den zweiten Zweig 5 der Oxidationskatalysator 11 - insbesondere wenn kein Oxidationskatalysator 12 vorgesehen ist - eingesetzt werden.

Die Abgasweiche 3 schließt zumindest den zweiten Zweig 5 möglichst vollständig vom Abgasstrom ab wenn der erste Zweig 4 geöffnet ist, anders herum wird der erste Zweig 4 vorzugsweise nur weitgehend vom Abgasstrom abgeschlossen, so daß auch bei offenem zweiten Zweig 5 ein kleiner Teilstrom des Abgasstroms durch den ersten Zweig 4 strömt. Diese Grundströmung dient als Raumgeschwindigkeit (Mindestdurchströmung) um über die Kraftstoffeindüsung 6 eingedüsten Kraftstoff durch den NOx-Speicherkatalysator 7 zu beför­ dern. Alternativ oder zusätzlich kann mit der Kraftstoffeindüsung auch eine Luftzufuhr erfol­ gen, die wiederum zum Erreichen der Mindestdurchströmung des NOx-Speicherkatalysators 7 dient. Der eingedüste Kraftstoff setzt sich in dem NOx-Speicherkatalysator 7 zum Teil unter Erwärmung desselben mit dem im Grundstrom noch vorhandenen Sauerstoff um, die verbleibenden Kraftstoffanteile (HC) reagieren mit dem eingelagerten NOx zu Stickstoff, Wasser und Kohlendioxid. Das Ende dieser NOx-Umsetzung (und entsprechender Kraft­ stoffzudüsung) wird mit der Sonde 8 erkannt, die als Lambdasonde ein λ < 1 und als Tempe­ ratursonde einen Temperaturabfall (die Reaktion ist exotherm) registriert. Vorteilhaft werden beide Sonden eingesetzt und abgefragt. Eventuell bei dieser Umsetzung nicht verbrauchte HC-Bestandteile vermischen sich wieder mit dem Hauptabgasstrom, der durch den zweiten Zweig 5 strömt, und werden mit dem hierin enthaltenen Sauerstoff in dem Oxidationskataly­ sator 12 zu Wasser und CO₂ umgesetzt.

Nach der Regeneration des NOx-Speichers 7 kann die Abgasweiche 3 wieder umgestellt werden, so daß der Abgasstrom durch den ersten Zweig 4 strömt, auch wenn die Diesel­ brennkraftmaschine sich noch im Schubbetrieb oder in einer Leerlaufphase befindet, so daß auch die hier gering anfallenden Stickoxide wieder gespeichert werden. Da der Regenerati­ onsvorgang in ca. 0,2 bis 20 sec. beendet ist, insbesondere in 0,5 bis 10 sec., besteht in einem normalen Kraftfahrzeugbetrieb genügend Zeit zur Regeneration im Schubbetrieb. Um auch bei lang anhaltenden Beschleunigungs- und Konstantfahrten eine weitgehende Besei­ tigung der Stickoxide sicherzustellen, kann eine Zeit- und/oder Dieselbrennkraftmaschine- Betriebszustand-Steuerung vorgesehen werden, die dazu führt, daß zusätzlich zu dem oben beschriebenen Verfahren Regenerationzyklen stattfinden (beispielsweise auch während Konstantfahrten und/oder Beschleunigungen). Da die Regenerationszeit wesentlich kürzer ist als die Beladungszeit des NOx-Speicherkatalysators 7, wird auch hier eine weitgehende Säuberung von den Stickoxiden erreicht.

Die in Fig. 2 dargestellte Abgasanlage 101 hat, wie auch an den Bezugszeichen zu erken­ nen ist, prinzipiell den gleichen Aufbau wie in Fig. 1 beschrieben. Zusätzlich ist hier ein Brenner 113 vorgesehen, dessen erhitzte Brennergase (Doppelpfeil) in Strömungsrichtung gesehen nach der Abgasweiche 3 in den ersten Zweig 4 eingeleitet werden. Mit dem Bren­ ner kann einerseits bei einem Fahrzeugkaltstart der kalte NOx-Speicherkatalysator 7 und der eventuell vorhandene Oxidationskatalysator 12 schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden, andererseits kann auch bei Schwachlastphasen der Dieselbrennkraftmaschine (hier kann die Abgastemperatur deutlich unter 200° liegen) die für die NOx-Speicherung erforder­ liche Mindesttemperatur sichergestellt werden. Für den letzteren Zweck ist nur eine sehr geringe Brennerleistung erforderlich.

Da beim Betrieb des Brenners 113 mit Dieselkraftstoff eine leicht magere Abstimmung üblich ist, ist zur Regeneration des NOx-Speicherkatalysators 7 eine zusätzliche Kraftstoff­ eindüsung 106 - wie oben beschrieben - erforderlich. Falls durch brennerseitige Maßnahmen auch ein zumindest kurzfristiger Betrieb bei λ < 1 möglich ist, kann diese Eindüsung entfallen.

Die in Fig. 3 dargestellte Abgasanlage 201 unterscheidet sich wiederum von der Abgas­ anlage 1 aus Fig. 1 nur geringfügig. Hier ist der Oxidationskatalysator 11 (der grundsätzlich optional ist) weggelassen und als Abgasweiche kommt eine Einklappenlösung 203 zum Ein­ satz. Außerdem ist vor dem NOx-Speicherkatalysator 7 ein E-Kat 214 (elektrisch geheizter Oxidationskatalysator) vorgesehen, der die Funktion des in Fig. 2 beschriebenen Brenners 113 übernimmt. Der E-Kat 214 kommt mit einer geringen Heizleistung (ca. 40 A bei 12 V) aus, da er im Betrieb nur die Temperatur erreichen muß, die notwendig ist damit zugedüster Kraftstoff oxidiert wird. Hierdurch tritt dann eine Selbsterwärmung ein, die mit dem Abgas­ strom an die nachfolgenden Katalysatoren abgegeben wird. Bei dieser Ausführungsform sollte bei der Regeneration möglichst wenig Sauerstoff in der Grundströmung vorhanden sein, damit sich der E-Kat hier nicht überhitzt, grundsätzlich kann der E-Kat (die Strom­ versorgung) bei der Regeneration abgeschaltet sein.

Bei den oben und nachfolgend beschriebenen Heizsystemen (Brenner und E-Kat) für den NOx-Speicherkatalysator 7 werden üblicherweise so wenig Brennergase und oder Kraftstoff zugeführt, daß die resultierende Temperatur im Abgas bei 250° bis 400°, insbesondere 300° bis 350° liegt.

In Fig. 4 ist eine Abgasanlage 301 dargestellt, die in beiden Zweigen 4 und 5 einen Speicherkatalysator 7 mit Kraftstoffeindüsung 6 und nachgeschalteter Sonde 8 aufweist; ein im Endrohr 10 nachgeschalteter Oxidationskatalysator (12) ist nicht dargestellt, kann aber vorgesehen werden. Auch hier ist der prinzipielle Ablauf wie in Fig. 1 beschrieben, mit dem Unterschied, daß bei einer gleichwertigen Auslegung der NOx-Katalysatoren 7 die Umschal­ tung der Abgasweiche 3 nicht durch die Fahrphasen, sondern allein durch Zeit und/oder dieselbrennkraftmaschinenbetriebszustandsabhängig erfolgt. Hinsichtlich der Speicher­ kapazität kann einer der NOx-Speicherkatalysatoren 7 auch schwächer ausgelegt werden, unter Berücksichtigung dieser geringeren Kapazität kann dann ebenfalls wie oben beschrie­ ben, aber auch nach der in Fig. 1 beschriebenen Regeneration in unterschiedlichen Betriebsphasen der Brennkraftmaschine verfahren werden, wobei der schwächer ausgelegte NOx-Speicherkatalysator vorteilhaft in den Schub- und/oder Leerlaufphasen der Diesel­ brennkraftmaschine die NOx-Speicherung übernimmt, während der stärker ausgelegte NOx- Speicherkatalysator regeneriert wird.

Auch eine solche Abgasanlage kann, wie in Fig. 5 mit 401 dargestellt, mit einem Brenner­ system 413 ausgerüstet werden. Zur getrennten Versorgung der beiden Zweige 4 und 5 mit den erhitzten Brennergasen werden diese über ein Klappensystem 415 je nach Betriebs­ zustand in den Zweigen 4 und 5 diesen getrennt zugeführt. Hierdurch kommt man mit einer Kraftstoffeindüsung 406 aus. Sofern der Brenner nicht nur zur Regeneration der NOx- Speicherkatalysator 7 eingesetzt wird (falls hierbei auch Sulfateinlagerungen entfernt werden sollen, muß die Regenerationstemperatur auf oberhalb 700°C angehoben werden), erfolgt die Steuerung der Verteilerklappen 415 entsprechend so, daß jeder Zweig die für ihn günstige Wärme und Kraftstoffmenge bekommt.

In Fig. 6 ist eine entsprechend Fig. 4 und 5 aufgebaute Abgasanlage 501 dargestellt, die statt mit einem Brennersystem mit E-Katalysatoren 414 ausgerüstet ist. Prinzipiell ist die Funktion hier wie in Fig. 5 beschrieben, wobei hier wiederum individuelle Kraftstoff­ eindüsungen 6 vorgesehen sind. Auch wird hier nur eine Lambdasonde 8 eingesetzt, die die in Fig. 1 beschriebene Funktion erfüllt. Hier ist außerdem wiederum ein Oxidationskatalysa­ tor 12 in dem Endrohr 10 vorgesehen um insbesondere eine Oxidation von eventuell zuviel eingedüstem Kraftstoff sicherzustellen.

Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß ein deutlicher Zusammenhang zwischen der Abgastempera­ tur und dem NOx-Ausstoß der Dieselbrennkraftmaschine besteht. Bei einem Absinken der Abgastemperatur auf 200°C (dieser Wert kann je nach Dieselbrennkraftmaschine etwas variieren, wobei bei kleinen Temperaturen immer der beschriebene Effekt vorliegt) ist der NOx-Ausstoß besonders gering (bei betriebswarmer Brennkraftmaschine), so daß hier eine weitere Befreiung der Abgase von den Stickoxiden bezüglich der Gesamtemission an Stickoxiden nahezu ohne Bedeutung ist ( 10%). Entsprechen kann bei einem Absinken der Abgastemperatur unterhalb 200°C, bzw. auf Werte, bei denen eine nur geringe NOx- Emission gegeben ist, der NOx-Speicher vom Abgasstrom getrennt und regeneriert werden. Im normalen Fahrbetrieb liegen genügend solcher Phasen mit niedrigeren Abgastemperatu­ ren vor, insbesondere bei Dieselbrennkraftmaschinen mit einem hohen Wirkungsgrad, wie es bei Turbodieseldirekteinspritzern der Fall ist. Entsprechend eignet sich die vorliegende Erfindung insbesondere bei solchen Dieselaggregaten.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betrieb einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem NOx-Speicher, der zur NOx-Speicherung von dem Abgasstrom durchströmt wird, und Regeneration des NOx-Speichers, bei der der NOx-Speicher bei laufendem Betrieb der Dieselbrenn­ kraftmaschine zumindest überwiegend von dem Abgasstrom abgesperrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperren gezielt bei einem durchschnittlich geringen NOx- Gehalt im Abgasstrom je Zeiteinheit und/oder in Schubphasen und/oder in Leerlauf­ phasen der Dieselbrennkraftmaschine erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrdauer zu mindestens 50%, insbesondere mindestens 75%, erfolgt, wenn ein durchschnittlich geringer NOx-Gehalt im Abgasstrom je Zeiteinheit und/oder eine Schubphase und/oder eine Leerlaufphase der Dieselbrennkraftmaschine vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regeneration des NOx-Speichers ein Kraftstoff in diesen eingeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brenner zum Erwärmen des NOx-Speichers vorgesehen ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperren erfolgt, wenn die Temperatur des Abgasstroms auf einen vorbestimm­ ten Wert, insbesondere 200°C, sinkt.

6. Verfahren zum Betrieb einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem NOx-Speicher, der zur NOx-Speicherung von dem Abgasstrom durchströmt wird, und Regeneration des NOx-Speichers, bei der der NOx-Speicher bei laufendem Betrieb der Dieselbrenn­ kraftmaschine zumindest überwiegend von dem Abgasstrom abgesperrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperren gezielt erfolgt, wenn die Temperatur des Abgas­ stroms auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere 200°C, sinkt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperren gezielt erfolgt, wenn die Temperatur des Abgasstroms auf einen so niedrigen Wert sinkt, daß die NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speichers temperatur­ bedingt auf 90% der NOx-Speicherfähigkeit des NOx-Speichers bei 300°C abnimmt.

8. Verfahren zum Betrieb einer Dieselbrennkraftmaschine mit einem NOx-Speicher, der zur NOx-Speicherung von dem Abgasstrom durchströmt wird, und Regeneration des NOx-Speichers, bei der der NOx-Speicher bei laufendem Betrieb der Dieselbrenn­ kraftmaschine zumindest überwiegend von dem Abgasstrom abgesperrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperren gezielt erfolgt, wenn die Temperatur des Abgas­ stroms auf einen so niedrigen Wert sinkt, daß die NOx-Speicherfähigkeit des NOx- Speichers temperaturbedingt auf 90% der NOx-Speicherfähigkeit des NOx- Speichers bei 300°C abnimmt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperren andauert, bis die Schubphase oder die Leerlaufphase beendet ist und/oder bis die Abgastemperatur wieder einen Wert oberhalb des vorbestimmten Wertes, insbesondere < 200°C, bzw. < 90% der NOx-Einspeicherkapazität, bezogen auf die NOx-Einspeicherkapazität bei 300°C, erreicht hat.

10. Dieselbrennkraftmaschine mit einer Abgasanlage (1, 101 bis 501), in der ein regene­ rierbarer NOx-Speicher (7), eine in Strömungsrichtung (Pfeil) vor dem NOx-Speicher (7) angeordnete Abzweigung für den Abgasstrom und Mittel (3, 203) angeordnet sind, die zumindest während einer Regeneration während des Betriebs der Dieselbrenn­ kraftmaschine zumindest einen überwiegenden Anteil des Abgasstroms durch die Abzweigung schicken, so daß der überwiegende Anteil nicht durch den NOx-Speicher strömt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung vorgesehen ist, die das Absper­ ren vornimmt, wenn sie einen durchschnittlich geringen NOx-Gehalt im Abgasstrom je Zeiteinheit und/oder eine Schubphase und/oder eine Leerlaufphase und/oder eine auf einen vorbestimmten Wert, insbesondere 200°C, gesunkene Abgastemperatur der Dieselbrennkraftmaschine erkennt.

11. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem NOx-Speicher eine Kraftstoffeindüsung vorgesehen ist.

12. Dieselbrennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet, durch einen elektrisch beheizbaren Oxidationskatalysator, der vor dem NOx-Speicher und ggf. hinter der Kraftstoffeindüsung angeordnet ist.