DE10350635A1

DE10350635A1 - Verfahren zur Steuerung von Kohlenwasserstoffemissionen

Info

Publication number: DE10350635A1
Application number: DE10350635A
Authority: DE
Inventors: David R. Livonia Gimby; Neville J. Novi Bugli
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2004-05-19
Also published as: GB2395449A8; GB2395449A; US20040079344A1; US6976477B2; GB0322571D0; GB2395449B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Kohlenwasserstoffemissionen, die aus einem abgestellten Motor austreten. Der Motor weist einen Luftweg auf, der Frischluft von einem Einlass zu einem Drosselventilgehäuse des Motors leitet. Das Verfahren dient zur Aufnahme wenigstens eines Teils der austretenden Kohlenwasserstoffemissionen innerhalb einer Membran. Hierzu wird eine poröse mit Kohlenstoff beladene Membran in Strömungsverbindung mit dem Luftweg angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Steuerung von Kohlenwasserstoffemissionen, die sich von einem Drosselventilgehäuse eines Verbrennungsmotors über einen Luftweg eines Luftzuführungssystems ausbreiten, nachdem der Motor abgestellt wurde.
Die Partial-Zero-Emission-Vehicel (PZEV)-Standards wurden erlassen, um zu bewirken, dass die Automobilhersteller umweltfreundlichere Fahrzeuge herstellen. Diese Standards setzen strengere Anforderungen an die Emission von Kohlenwasserstoff dämpfen.
Um diese neuen strengeren Anforderungen an die Kohlenwasserstoffdampfemissionen, insbesondere bei Brennkraftmaschinen, zu erfüllen, muss eine Reduzierung der von Kohlenwasserstoffdampfemissionsmenge aller Quellen betrachtet werden, insbesondere auch das Ausbreiten von Kohlenwasserstoffdampf über ein Luftzuführungssystem nach dem Abstellen des Motors.
Kohlenwasserstoffdampfemissionen werden mittels Kohlenstoffmaterialien adsorbiert. Zum Beispiel werden die Oberflächen von Kanalwänden eines Luftzuführungssystems mit einem Aufschlämmverfahren beschichtet, bei dem Kohlenstoff in einer Wasserlösung vorhanden ist. Aufschlämmverfahren und dergleichen sind teure Verfahren, insbesondere wenn sie innerhalb von Kanälen angewendet werden, oder als ein zusätzlicher Schritt bei der Herstellung von einem Luftzuführungssystem. Darüber hinaus tendieren die mit Kohlenstoff angereicherten Aufschlämmsubstanzen dazu, brüchig zu werden und in dem Luftzuführungssystem aufzubrechen, was dazu führen kann, dass Partikel oder andere Teilchen durch den Drosselventilgehäuse in den Motor gelangen können.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beiseitigen und ein Luftführungssystem anzugeben, bei dem die Kohlenwasserstoffdampfemissionen reduziert sind und das gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Luftzuführungssystem für einen Motor. Das Luftzuführungssystem umfasst einen Luftweg oder -kanal, der von einem Lufteinlass zu einem Drosselventilgehäuse führt, wobei über den Lufteinlass dem Drosselventilgehäuse Frischluft zuführt wird. Innerhalb des Luftweges ist wenigstens eine poröse, mit Kohlenstoff beschichtete Membran angeordnet, um innerhalb der Membran wenigstens einen Teil von Kohlenwasserstoffemissionen aufzunehmen, die sich über den Luftweg nach dem Abschalten des Motors ausbreiten, um diese Emissionen zu adsorbieren.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung der Kohlenwasserstoffemissionen, die über einen Luftweg, der zur Frischluftzufuhr von einem Einlass zu einem Drosselventilgehäuse dient, aus dem Motor ausströmen, nachdem der Motor abgestellt wurde. Das Verfahren umfasst das Anordnen einer porösen mit Kohlenstoff beschichte ten Membran in einer Strömungsverbindung mit dem Luftweg, um mit der Membran wenigstens teilweise Kohlenwasserstoffemissionen zur Adsorption aufzunehmen, die aus dem abgeschalteten Motor austreten.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Emissionssteuereinheit. Die Emissionssteuereinheit umfasst eine poröse Membran, die mit Kohlenstoff beschichtet ist und wenigstens mit einem Teil des Luftweges in Strömungsverbindung steht, um innerhalb der Membran die Kohlenwasserstoffemissionen aufzunehmen, die über den Luftweg aus dem abgeschalteten Motor austreten.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Luftweges für ein Luftzuführungssystem eines Motors nach dem Stand der Technik;
2 zeigt eine Ansicht eines Spalts in einem Luftzuführungssystem;
3 zeigt eine schematische Ansicht von sich ausbreitenden dampfförmigen Kohlenwasserstoffemissionen;
4 zeigt eine schematische Ansicht, die eine Membran darstellt, die in einem Luftfilter gemäß der vorliegenden Erfindung installiert ist;
5 zeigt eine schematische Ansicht einer Membran, die in einem Gehäuse in dem Luftweg gemäß der vorliegenden Erfindung installiert ist;
6 zeigt eine schematische Darstellung des Gehäuses;
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Membran in einer winkligen Position in dem Gehäuse gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt eine schematische Darstellung der Membran in dem Gehäuse, wobei die Membran gemäß der vorliegenden Erfindung innerhalb einer Rohrleitung umfänglich anliegend angeordnet ist;
9 ist eine schematische Darstellung der Membran gemäß der vor liegenden Erfindung, die den Luftweg teilt;
10 zeigt einen Querschnitt von 9; und
11 zeigt eine schematische Darstellung der Membran gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei unterschiedlich geformten Bereichen in dem Gehäuse.
1 zeigt ein Luftzuführungssystem 10 zur Zuführung von Frischluft zu einem Motor. Das Luftzuführungssystem 10 umfasst einen Drosselventilgehäuse 12, einen Luftfilter 14 und einen Frischlufteinlass 16, um dem Motor Frischluft 17 über den Luftweg 18 zuzuführen.
Wenn der Motor läuft, strömt Frischluft 17 durch den Luftfilter 14 und durch das Drosselventilgehäuse 12 zur Verbrennung in den Motor. Typischerweise besteht der Luftweg 18 aus einem (engl.: dual-durometer) elastomerischen Material.
Wie in 2 dargestellt, kann der Luftweg 18 geteilt sein und einen Spalt 21 umfassen. Der Spalt 21 ermöglicht die Installation anderer Komponenten im Luftweg 18, wie im Folgenden genauer beschrieben wird. Vorzugsweise sind Befestigungselemente 23 wie Gummimuffen zur Befestigung der eingefügten Komponenten vorgesehen.
Wenn der Motor abgestellt wird, entsteht zwischen den im Motor verbleibenden Kohlenwasserstoffdämpfen und der im Luftweg 18 befindlichen Luft ein Konzentrationsgefälle. Das Konzentrationsgefälle resultiert u. a. aus den verschiedenen Drucken oder Temperaturunterschieden. Das Konzentrationsgefälle bewirkt eine diffuse Ausbreitung von Kohlenwasserstoffdämpfen, die sich über den Luftweg 18 von dem Drosselventilgehäuse 12 zum Einlass 16 bewegten, wie in dem Ausschnitt des Luftwegs 18 in 3 dargestellt ist.
Die diffundierenden Kohlenwasserstoffe strömen mit einer Zufallsbewegung in Richtung Einlass 16, wobei die leichten Moleküle 20 dazu tendieren, in Richtung einer Seite des Luftweges 18 zu driften (nach oben) und die schwereren Moleküle 22 dazu tendieren, auf die andere Seite des Luftweges 18 zu driften (nach unten). Auf diese Weise können die Kohlenwasserstoffdampfemissionen über den Einlass 16 in die Umgebung gelangen.
Partial Zero Emission Vehicel (PZEV)-Standards sind erlassen wurden, um die Menge von Kohlenwasserstoffemissionen zu reduzieren, die aus einem Motor ausströmen, nachdem der Motor abgestellt ist. Ein Aspekt der PZEV-Standards erfordert, dass die Fahrzeuge Motoren aufweisen, die einen Verdampfungsbestimmungstest (SHED- sealed housing evaporative determination) für ein abgedichtetes Gehäuse bestehen. Der SHED-Test misst die Menge an ausgestoßenen Kohlenwasserstoffen, und bestimmt, ob ein Fahrzeug den gesetzmäßigen Standards entspricht. Vorläufige Messungen haben gezeigt, dass beim Abstellen des Motors 5 Gramm oder mehr dampfförmiger Kohlenwasserstoffdämpfe über das Drosselventilgehäuse über den oben beschriebenen Verbreitunsgsweg ausströmen können.
Wie weiter unten detaillierter beschrieben, wird bei der vorliegenden Erfindung eine Membran installiert, die mit aktiviertem Kohlenstoff (Aktivkohle) beschichtet oder imprägniert ist, um die ausbreitenden Kohlenwasserstoffdämpfe zu adsorbieren. Dabei kann die Membran aus jedem Material bestehen und jede Struktur aufweisen, das bzw. die sich mit Kohlenstoff beschichtet lässt. Vorzugsweise ist die Membran ein permeabler Schaum, der mit Zeolith beladen ist. Der Schaum kann eine offene Zellstruktur oder eine geschlossene Zellstruktur aufweisen, wobei als offenporiger Schaum ein vernetzter offenporiger Polyurethanschaum verwendet werden kann.
Die poröse Iviembran ermöglicht es der Luft durch die Durchlässe, die von Hohlräumen und Aussparungen in der Membran ausgebildet sind, hindurch zu treten. Der Kohlenstoff ist in den Hohlräumen und Aussparungen aufge bracht, um in den Durchlässen eine Kohlenstoffbeschichtung zu bilden. Beispielsweise ist der Kohlenstoff in eine klebrige Substanz eingebracht, mit der die Membran besprüht, gewalkt oder getränkt wird. Die Hohlräume und Aussparungen stellen ein Labyrinth von Durchlässen dar, in denen die diffundierenden leichten Moleküle 20 und schweren Moleküle 22 mit dem Kohlenstoff zur Adsorption reagieren. Die Membran kann jedoch auch aus jeder anderen durchlässigen porösen Substanz hergestellt sein wie z. B. einem Faserbündel. Der Kohlenstoff kann auf die Fasern mit einem Spray aufgebracht sein oder als Teil der Fasern ausgebildet sein.
Da die Menge oder das Volumen des zur Adsorption der Kohlenwasserstoffe erforderlichen Kohlenstoffs proportional zu der Menge der austretenden Kohlenwasserstoffdämpfe ist, ist es notwendig, ein definiertes Volumen an Kohlenstoff für eine ausreichende Adsorption bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Mehrzahl verschiedener Konfigurationen für die erfindugsgemäße Membran, die verschiedene Vorteile aufweisen. Der Einfluss der Größe, Form und Undurchlässigkeit der Membran auf die Einlassluftströmung muss mit der Adsorptionsfähigkeit der Membran, die von ihrer speziellen Größe, Form und Undurchlässigkeit abhängt, ausbalanciert werden. Mit anderen Worten, es besteht eine Konkurrenz zwischen dem Strömungswiderstand über die Membran und ihrer Adsorptionsfähigkeit. Immer wenn der Strömungswiderstand hoch ist, ist auch die Adsorption hoch. Wenn der Strömungswiderstand niedrig ist, ist auch die Adsorption niedrig.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Luftzuführungssystems 10, das eine erste Ausführungsform der Membran 24 darstellt. Die Membran 24 ist in dem Luftfilter 14 des Luftzuführungssystems 10 angeordnet. Die Membran 24 ist an dem Luftfilter 14 mit einem Klebstoff oder mechanischen Verbindungsmitteln befestigt.
Vorzugsweise wird die Membran 24 so ausgebildet, dass sie in einen vorhandenen Luftfilter 14 kostengünstig eingesetzt werden kann, ohne dass der gesamte Luftfilter 14 ersetzt werden muss. Dabei ermöglicht die relativ große Breite der Membran 24 in Bezug auf den Querschnitt des Luftweges 18, dass die Membran 24 ein großes Volumen an Kohlenstoff bei minimaler Dicke umfasst. Die Erhöhung des Strömungswiderstands wird minimiert, während die Adsorption des Kohlenwasserstoffs relativ gut ist. Darüber hinaus wird die Rückführung des adsorbierten Kohlenwasserstoffs zurück zum Motor unterstützt, wenn der Motor läuft; weil sich ein großer Bereich der Oberfläche der Membran im Einlassluftstrom 17 befindet.
5 zeigt eine schematische Darstellung, bei der eine Membran 28 in einem Gehäuse 30 in dem Luftweg 18 angeordnet ist. Das Gehäuse 30 ist durch Befestigungselemente 23 befestigt. Vorzugsweise weist die Membran 28 einen Querschnitt auf, der größer als der Querschnitt des Luftweges 18 ist. Wenn kein Gehäuse 30 verwendet wird, wird die Membran 28 unmittelbar in den Luftwegkanal 18 hineingepresst.
Wie in 6 dargestellt, umfasst das Gehäuse 30 des Ausführungsbeispiels aus 5 einen Ausdehnungsbereich 31, der größer als der Luftweg 18 ist. Das Gehäuse 30 muss nicht größer als der Querschnitt des Luftweges 18 sein. Da der Einlassstrom 17 sich mit hoher Geschwindigkeit bewegt, neigt die einströmende Luft 17 dazu, nicht aus dem Luftweg 18 heraus und in den breiteren Ausdehnungsbereich 31 zu strömen. Folglich ermöglicht es der Ausdehnungsbereich 31 somit, ein größeres Membranvolumen außerhalb des Querschnitts des Luftweges 18 anzuordnen, so dass die Strömung nur minimal beschränkt wird. Die Diffusion der dampfförmigen Emissionen, wie in 3 gezeigt, trägt jedoch dazu bei, dass die austretenden Moleküle trotzdem aus dem Luftweg 18 heraus in den Ausdehnungsbereich 31 für die Adsorption diffundieren.
Die in 5 dargestellte Membran 28 stellt für die austretenden Kohlenwasserstoffdämpfe einen vollständigen Verschluss dar, ähnlich wie die Membran 24 in dem Luftfilter 14, jedoch mit einer geringeren Erhöhung des Strömungswiderstands für die Luftströmung, da sich ein Teil des erforderlichen Kohlenstoffs außerhalb des Querschnitts des Luftweges 18 im Ausdehnungsbereich 31 befindet.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Membran 34, die innerhalb des Gehäuses 30 geneigt angeordnet ist und sich von einer Seite des Ausdehnungsbereichs 31 zur gegenüberliegenden nicht angrenzenden Seite erstreckt. Im Vergleich zu der in 5 gezeigten Membran 28 wird dadurch ein größerer Oberflächenbereich der Membran 34 in die Luftströmung gestellt, wobei jedoch gleichzeitig die Dicke der Membran reduziert ist. Die Reduzierung der Membrandicke verringert die Erhöhung des Strömungswiderstands für die Luftströmung, obwohl die relativ gute Adsorptionseffizienz beibehalten wird.
8 zeigt eine schematische Ansicht, bei der die Membran 44 auf der Außenfläche eines im Gehäuse 30 angeordneten Rohrs 48 angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst das Rohr 48 Öffnungen 51, durch die die Kohlenwasserstoffmoleküle zur Membran 44 gelangen können. Die Öffnungen 51 können beliebig ausgeformt sein, beispielsweise als länglicher Schlitz oder kreisförmig. Das Rohr 48 sorgt dafür, dass die Membran 44 innerhalb des Ausdehnungsbereichs 31 und außerhalb des Querschnitts des Luftweges 18, angeordnet bleibt, um die Erhöhung des Strömungswiderstands für den Luftstrom zu begrenzen.
9 zeigt eine schematische Ansicht, bei der eine Membran 54 verwendet wird, um den Luftweg 18 zu teilen. Die Membran 54 weist abgerundete Enden 56 auf, um die Strömung der einströmenden Luft minimal zu stören, so dass der Strömungswiderstand nur minimal erhöht wird. Wie in der Schnittdarstellung von 10 dargestellt, definiert der Luftweg 18 einen Querschnittsbereich, der von der Membran 54 unterteilt wird. Das Rohr des Luftwegs 18 kann Schlitze 58 zur Befestigung der Membran 54 aufweisen. Die Membran 54 kann auch in dem Gehäuse 30 mit oder ohne Ausdehnungsbereich 31 installiert sein, wie die Membranen, die oben beschrieben wurden.
11 zeigt eine schematische Ansicht einer Membran 60. Die gezeigte Membran 60 ist innerhalb des Gehäuses 30 befestigt. Die Membran kann jedoch mit einem einfachen Presssitz in dem Luftweg 18 befestigt sein. Die Membran 60 umfasst einen ersten Bereich 62, der in den Luftweg 18 hineinragt, und einen zweiten Bereich 64, der nicht in den Luftweg 18 hineinragt. In dieser Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass die Membran 60 den Strömungswiderstand nur minimal erhöht, da die Dicke des ersten Bereiches 62 relativ niedrig jedoch ausreichend für die Adsorption der leichten Partikel 20 ist, während der dickere und damit weniger leicht durchströmbare Bereich 64 die schweren Moleküle 22 adsorbiert, die dazu tendieren, herunterzufallen, bevor sie den ersten Bereich 62 erreichen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nicht einschränkend zu verstehen und stellen keine abschließende Aufzählung aller möglichen Formen der Erfindung dar. Die verwendeten Worte in dieser Beschreibung dienen der Beschreibung und nicht der Beschränkung, sodass es offensichtlich ist, dass verschiedene Veränderungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Steuerung von Kohlenwasserstoffemissionen, die aus einem Motor nach dem Abstellen des Motors austreten, wobei der Motor einen Luftweg (18) aufweist, der Frischluft (17) von einem Einlass (16) zu einem Drosselventilgehäuse (12) des Motors leitet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf der Aufnahme wenigstens eines Teils der austretenden Kohlenwasserstoffemissionen innerhalb einer Membran (24, 28, 34, 44, 54, 60) beruht, wobei eine poröse mit Kohlenstoff beladene Membran (24, 28, 34, 44, 54, 60) in Strömungsverbindung mit dem Luftweg (18) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Luftweg (18) wenigstens einen Bereich mit einem definierten Querschnittsbereich aufweist und die Membran (24, 28, 34, 44, 54, 60) derart angeordnet wird, dass sie wenigstens einen Teil des Querschnittsbereichs abdeckt.
Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Membran (60) so ausgebildet wird, dass sie einen ersten Bereich (62) aufweist, der den Querschnittsbereich des Luftpfades (18) abdeckt, und einen zweiten Bereich (64) aufweist, der sich entlang des Luftweges (18) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei weiterhin ein Gehäuse (30) vorgesehen wird, welches wenigstens einen Abschnitt des Luftweges (18) ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Membran (24, 28, 34, 44, 54, 60) in dem Gehäuse (30) angeordnet wird, bevor das Gehäuse (30) in den Luftweg (18) eingefügt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Teil des Luftwegs (18) durch ein Rohr (48) bestimmt wird, und die Membran (48) an der Außenfläche des Rohrs (48) angeordnet wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei durch das Positionieren der Membran (54) der Luftweg (18) geteilt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei weiterhin wenigstens ein Teil der adsorbierten Kohlenwasserstoffemissionen zu dem Motor zurückgeführt werden, wenn der Motor läuft.