DE112008001335B4

DE112008001335B4 - System und Verfahren zur Erzeugung von Dieselabgasen zum testen von Nachbehandlungsvorrichtungen für Dieselmotoren

Info

Publication number: DE112008001335B4
Application number: DE112008001335.7T
Authority: DE
Inventors: Gordon J.J. Bartley; Cynthia C. Webb; Imad S. Abdul-Khalek
Original assignee: Southwest Research Institute SwRI
Current assignee: Southwest Research Institute SwRI
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2016-10-27
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: DE112008001335T5; GB0916348D0; WO2008157528A2; US7741127B2; GB2462944B; WO2008157528A3; GB2462944A; US20070289290A1

Abstract

Ein Verfahren zur Erzeugung von Abgas, das, unter Verwendung eines Brenner-gestützten Systems (100), partikelförmiges Material (PM) enthält, welches das PM simuliert, welches von einem dieselgetriebenen Verbrennungsmotor erzeugt wird, aufweisend: Verwenden eines Brenners (60) zur Aufnahme von Luft und Kraftstoff und zur Verbrennung der Luft und des Kraftstoffes, um Abgas und frei werdendes PM im Abgas zu erzeugen; Verwenden eines Wärmetauschers (70), um das Abgas stromabwärts des Brenners (60) auf eine Temperatur von nicht mehr als 650°C abzukühlen; Verwenden einer Sauerstoffdüse (195), um eine vorbestimmte Menge Sauerstoff in das Abgas einzublasen, um damit das Abgas mit einem Sauerstoffgehalt von 2–10 Vol.% bereitzustellen; Verwenden eines Quenchers (170) stromabwärts der Sauerstoffdüse (195), um das Abgas auf eine Temperatur abzukühlen, die ausreichend niedrig ist, um die Zusammensetzung des PM zu fixieren; und Verwenden eines computergesteuerten Regelsystems (190) zur Regelung der Menge und der Terminierung der Zufuhr von Kraftstoff und Sauerstoff, zum Brenner (60) und zur Sauerstoffdüse (195).

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf die Verwendung von Brennergestützten Testsystemen zur Erzeugung von Dieselabgas für die Prüfung von Dieselabgas-Nachbehandlungsvorrichtungen.
Die Druckschrift US 2003/0079520 A1 zeigt ein Verfahren, um das Altern von Autoabgas-Katalysatoren zu simulieren. Das Dokument beschreibt weiterhin eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Vorrichtung auf einem Brenner-gestützten Abgaserzeugungssystem mit einem Luftversorgungssystem zur Bereitstellung von Luft für die Verbrennung im Brenner, einem Kraftstoffsystem zur Bereitstellung von Kraftstoff für den Brenner, einem Brennersystem zur Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches und zur Bereitstellung der geeigneten Abgasbestandteile, einem Wärmetauscher zur Regelung der Abgastemperatur, einem Öleinspritzsystem und einem computergesteuerten Regelsystem. Dieses Abgaserzeugungssystem erzeugt Abgas mit einer Zusammensetzung und Temperatur, die den durch den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs erzeugten Werten entspricht.
In den Druckschriften US 2005/0042763 A1 und US 7,140,874 B2 wird eine entsprechende Vorrichtung verwendet, um das Altern und Regenerieren von Diesel-Nachbehandlungskomponenten zu simulieren.
In der Druckschrift WO 2007/019329 A2 wird die aus der US 2003/0079520 A1 bekannte Vorrichtung um ein sekundäres Luftinjektionssystem ergänzt.
Ein weiteres Verfahren, um das Altern und Regenerieren von Dieselabgas-Katalysatoren zu testen, ist in der KR 100680363 B1 . Das darin gezeigte Verfahren verwendet ein Partikelfiltersystem, bestehend aus einem Partikelfilter und einem Oxidationskatalysator.
Die JP 2002365203 A zeigt eine Vorrichtung, die dazu dient, Verunreinigungen zu prüfen, welche von Abgasen aus Diesel und Benzinmotoren verursacht werden. Dabei leitet die Vorrichtung verunreinigte Luft in eine Kammer zur Aufnahme eines Testobjekts, um das Testobjekt mit der kontaminierten Luft in Berührung zu bringen.
Ein weiteres Verfahren zur Alterung von Katalysatoren ist in der DE 10 2004 061 400 A1 beschrieben. Die dafür verwendete Vorrichtung erzeugt einen Abgasstrom mit variabler Temperatur, indem der Abgasstrom in zwei Teilströme aufgetrennt wird, einer der Ströme gekühlt wird und anschließend beide Teilströme wieder zusammengeführt werden.
Weiterhin offenbart die EP 1785715 A2 eine Vorrichtung zum Testen von Katalysatoren. Die beschriebene Vorrichtung dient ebenfalls zur Brenner-basierten Erzeugung von Abgasen, vorzugsweise mithilfe mehrerer Verbrennungskammern. Die Abgase können zum Testen beispielsweise an einen Katalysator weitergeleitet werden.
Hintergrund der Erfindung
In der Vergangenheit sind zahlreiche Prüfverfahren verwendet worden, um das Altern und Regenerieren von Diesel-Nachbehandlungskomponenten zu simulieren. Die Verwendung von Serien-Dieselmotoren für derartige Prüfverfahren hat viele Nachteile hervorgebracht, einschließlich uneinheitlicher Funktionsfähigkeit, aufwändiger Instandhaltung und hoher Betriebskosten.
Eine Komponente von Dieselabgas besteht aus unverbrannten Russpartikeln. Die Partikel werden im Allgemeinen durch die Verwendung eines Dieselpartikelfilters aus dem Abgas entfernt. In der Vergangenheit wurde ein Dieselpartikelfilter gealtert, in dem man ihn von einem Dieselmotor erzeugtem Dieselabgas aussetzte und dabei den Filter mit Partikeln aufgeladen hat. Der Dieselmotor konnte auf einem Prüfstand in einem Labor oder in einem Kraftfahrzeug installiert sein. Der Motor musste zyklisch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Belastungsbedingungen laufen, um das Altern des Dieselpartikelfilters zu simulieren.
Aufgrund der Schwierigkeiten, die mit der Verwendung von Motoren einhergingen, sind Brenner-gestützte Systeme entwickelt worden, um Abgase zu erzeugen und auf andere Weise die Betriebsbedingungen für verschiedenartige Nachbehandlungsvorrichtungen zu simulieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Ausführungsformen und deren Vorteile erhält man durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale bezeichnen und wobei:
1 ein Brenner-gestütztes System zur Erzeugung von Dieselabgas darstellt;
2 den Brenner der 1 im Detail darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die folgende Beschreibung ist auf die Verwendung eines Brenner-gestützten Systems zur Erzeugung von Dieselabgas gerichtet, typischer Weise zum Zwecke der Prüfung von Dieselabgas-Nachbehandlungsvorrichtungen. Die Verwendung dieses Systems anstelle eines Dieselmotors senkt die Betriebskosten, reduziert die Testschwankungen und verbessert die Steuerung der Abgaszusammensetzung, des Drucks, der Durchflussrate und der Temperatur.
Die oben genannte US 2003/0079520 A1 beschreibt ein Brenner-gestütztes Abgaserzeugungssystem ohne bestimmte, hier beschriebe Merkmale, das aber ansonsten zum Testen von Abgas-Nachbehandlungsvorrichtungen geeignet ist. Das System umfasst: (1) ein Luftversorgungssystem zur Bereitstellung von Luft für die Verbrennung im Brenner, (2) ein Kraftstoffsystem zur Bereitstellung von Kraftstoff für den Brenner, (3) ein Brennersystem zur Verbrennung der Mischung von Luft und Kraftstoff und zur Bereitstellung geeigneter Abgasbestandteile, (4) einen Wärmetauscher zur Regelung der Abgastemperatur, (5) ein Öleinspritzsystem, und (6) ein computergesteuertes Regelsystem. Das System kann verwendet werden, um die Wirkungen von einzelnen Variablen im Langzeitbetrieb von Abgas-Nachbehandlungsvorrichtungen zu bewerten. Es erzeugt Abgas mit einer Zusammensetzung und Temperatur, die den durch den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs erzeugten Werten entspricht.
1 stellt ein Brenner-gestütztes Abgaserzeugungssystem 100 dar, das insbesondere zur Erzeugung von Dieselabgas mit einer Zusammensetzung geeignet ist, die mit der durch serienmäßig hergestellte, dieselbetriebene Motoren erzeugten übereinstimmt. Es hat viele der gleichen Elemente, wie sie in der US 2003/0079520 A1 beschrieben sind, es hat jedoch zusätzliche Merkmale, die es zur Erzeugung von Dieselabgas besonders geeignet machen, welches partikelförmiges Material (PM) enthält, das die gewünschten Eigenschaften hat.
Insbesondere erzeugt das System 100 einen Abgasstrom mit einer Zusammensetzung und Temperatur, die dem Abgasstrom entspricht, der von einem Dieselmotor erzeugt wird. Das Abgas wird durch Verbrennung von Dieselkraftstoff erzeugt und enthält partikelförmiges Material (PM) einer gewünschten Zusammensetzung. Die Wirkung erweiterter Fahrbedingungen und erhöhter Temperaturen auf die Zusammensetzung des Abgases und seines PM kann simuliert werden. Das System kann auch die Effekte verschiedener Additive und Verunreinigungen des Motors simulieren. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 wird das PM in einem Kollektor 180 aufgefangen. Bei anderen Anwendungen kann ein Emmissionsteuergerät stromaufwärts, stromabwärts, oder anstelle des Kollektors in der Abgasleitung installiert werden. Beispiele von Emmissionssteuergeräten, die bei der Verwendung des Systems 100 getestet werden können, schließen katalysierende und nicht-katalysierende Dieselpartikelfilter (DPFs), gasarme NOx-Abscheider (LNTs), selektive Reduktionskatalysatoren (SRCs) und Dieseloxidations-Katalysatoren (DOCs) ein, sind aber nicht darauf beschränkt. Das System ist geeignet für das so genannte „aging” („Altern”) des Emmissionssteuergeräts, welches dann bewertet, und wenn gewünscht, an einem aktuellen Fahrzeug leistungsgetestet werden kann.
Das System 100 hat die folgenden Sub-Systeme: (1) ein Luftversorgungssystem zur Bereitstellung von Luft für die Verbrennung im Brenner, (2) ein Kraftstoffsystem zur Bereitstellung von Kraftstoff für den Brenner, (3) ein Brennersystem zur Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemisches und zur Bereitstellung der geeigneten Abgasbestandteile, (4) einen Wärmetauscher zur Regelung der Abgastemperatur, (5) ein Öleinspritzsystem, (6) ein sekundäres Luftinjektionssystem, (7) eine Quenchzone, (8) einen Kollektor, und (9) ein computergesteuertes Regelsystem.
Verbrennungslufteinspeisungssystem
Ein Luftgebläse 30 zieht Umgebungsluft durch einen Einlassluftfilter 20 ein und gibt einen unter Druck stehenden Luftstrom ab. Ein Masseluftstromsensor 50 überwacht den Luftstrom. Das zugeführte Luftvolumen wird durch Justierung des Bypass-Ventils 40 bestimmt, um einen gewünschten Luftdurchsatz zu erzeugen.
Das Luftgebläse 30, der Filter 20 und der Masseluftstromsensor 50 können von jeder konventionellen Bauart sein. Ein Beispiel eines geeigneten Luftgebläses 30 ist ein elektrisches Zentrifugalgebläse. Die Regeleinheit 190 kann verwendet werden, um Daten von den verschiedenen Elementen des Luftversorgungssystems zu erhalten und/oder diese Elemente anzusteuern.
Ein Merkmal des Systems 100 ist, dass in wenigen Minuten sein Brenner 60 deaktiviert werden kann und das Gebläse 30 zum Kühlen des Systems 100 (oder irgendeines Teils des Systems 100) verwendet wird. Unmittelbar nach dem Kühlen kann das System 100 dann für zusätzliche Tests reaktiviert werden. Damit bietet das System 100 verbesserte Wiederholbarkeit und reduzierte Abkühlzeiten.
Kraftstoffzuführungssystem
Eine Kraftstoffpumpe 10 pumpt Motorkraftstoff durch eine Kraftstoffleitung 12 zu einem Kraftstoffregelventil 14. Ein Beispiel eines geeigneten Kraftstoffregelventils 14 ist ein Elektromagnetventil, das ein Impulsbreite-moduliertes Signal von der Regeleinheit 190 erhält und den Kraftstoffstrom zum Brenner 60 im Verhältnis zu der Impulsbreite reguliert. Über die Kraftstoffleitung 12 wird Kraftstoff zu einer Kraftstoffeinspritzdüse 16 im Brenner 60 abgegeben.
Brenner
Der Brenner 60 ist konstruiert, um eine gewünschte Verbrennung des Kraftstoffs und der Luft zu erzeugen. In dem Beispiel dieser Beschreibung ist der Brenner ein wirbelstabilisierter Brenner, der zur Erzeugung kontinuierlicher Verbrennung bei reichen, mageren, oder stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnissen geeignet ist.
2 stellt den Brenner 60 im Detail dar. Der Brenner 60 hat, getrennt durch eine Wirbelplatte 18, sowohl eine Ansaugluftkammer 200 als auch ein Verbrennungsrohr 210. Die Verbrennungsrohr 210 ist aus einem Material konstruiert, das geeignet ist, extrem hohen Temperaturen zu widerstehen. Bevorzugte Materialien sind INCONEL oder Edelstahl, sind aber nicht notwendiger Weise darauf beschränkt, optional kann ein Quarzfenster zur visuellen Beobachtung des resultierenden Flammenmusters vorgesehen sein.
Luft und Kraftstoff werden getrennt in den Brenner 60 eingebracht. Die Luft vom Massestromsensor 50 wird zur Ansaugluftkammer 200 geleitet und dann durch die Wirbelplatte 18 in das Verbrennungsrohr 210 geführt.
Die Wirbelplatte 18 ist mit einer Kraftstoffdüse 16 ausgestattet, die als eine Luftunterstützte Kraftstoffeinspritzdüse 16 im Zentrum der Wirbelplatte 18 eingebaut ist. Die Wirbelplatte 18 hat eine zentrale Bohrung und die Einspritzdüse 16 ist an der Wirbelplatte 18 an dieser zentralen Bohrung unter Verwendung geeigneter Befestigungsmittel befestigt.
Kraftstoff von der Kraftstoffversorgungsleitung 12 wird zu der Einspritzdüse 16 geleitet, wo der Kraftstoff mit Druckluft aus einer Luftunterstützungsleitung 15 gemischt wird. Das Gemisch wird in das Verbrennungsrohr 210 gesprüht. Die Druckluftleitung 15 stellt Hochdruck-Luft bereit, um die Atomisierung des Kraftstoffs zu unterstützen.
Die Wirbelplatte 18 ist in der Lage, eine hochturbulente Wirbelverbrennung zu erzeugen, um so ein komplexes Muster von kollabierter, konischer und verwirbelter Durchströmung im Verbrennungsbereich bereitzustellen. Das von der Wirbelplatte 18 erzeugte Durchströmungs-Muster beeinflusst die Interaktion einer Anzahl von Düsen, die durch die Wirbelplatte 18 gebohrt sind. Die Anordnung und Neigung dieser Düsen bestimmt, wie sie die Luft leiten. Es können zum Beispiel „Turbolenzdüsen” verwendet werden, um die Luft gegen die zentrale Bohrung zu richten. Es können andere Düsen verwendet werden, um die Luft vom äußeren Umfang der Wirbelplatte 18 herzuleiten. Die genauen Dimensionen und die Winkelorientierung der Düsen können variieren. Die Düsen können ferner verwendet werden, um zu verhindern, dass die Flamme die Kraftstoffeinspritzdüse 16 kontaktiert. Das Verbrennungsrohr 210 ist mit einer oder mehreren Zündkerzen 220 ausgestattet. In einer bevorzugten Ausführung sind drei im Wesentlichen im gleichen Abstand zueinander angeordnete Zündkerzen 220 um den Umfang des Verbrennungsrohres im Gas-„Wirbelpfad” angeordnet, welcher durch die Wirbelplatte 18 erzeugt wird. Ein Beispiel eines geeigneten Zünders ist eine Schiffszündkerze.
Die Wirbelplatte 18 kann als eine im Wesentlichen kreisförmige Scheibe verwendet werden, welche ein Dicke hat, die ausreicht, um das Luftstrommuster festzulegen und eine „Luftwirbelwand” zu erzeugen, die wirksam ist, um die Kraftstoffeinspritzdüse 16 zu schützen. Die Wirbelplatte 18 kann aus im Wesentlichen jedem Material hergestellt sein, das in der Lage ist, hohen Temperaturen zu widerstehen. Ein bevorzugtes Material ist Edelstahl.
In einigen Ausführungsbeispielen, die für die Verbrennung von schwer flüchtigen Kraftstoffen geeignet sind, ist das Verbrennungsrohr 210 weiterhin mit Keramikschaum ausgestattet, welcher stromabwärts von der Einspritzdüse 16 angeordnet ist. Im Wesentlichen kann jeder geeignete Schaum verwendet werden, wie z. B. SiC-Keramikschaum.
Wärmetauscher
Nochmals Bezug nehmend auf 1, wird das Abgas vom Brenner 60 zu einem Wärmetauscher 70 geleitet. Der Wärmetauscher 70 kann von jeder konventionellen Bauart sein, die dem Fachmann bekannt ist. Im Beispiel dieser Beschreibung besteht der Wärmetauscher 70 aus zwei Bereichen. Ein Stromaufwärts-Bereich besteht aus einem wasserummantelten Rohr. Ein Stromabwärts-Bereich ist eine vertikale Querstromschale und ein Röhrenwärmetauscher. Die vertikale Querstrombauart minimiert die Dampfbildung und die Dampfansammlung innerhalb der Kühlrohre.
Der Wärmetauscher 70 ist mit einer Einlasswasserleitung 80 und einer Auslasswasserleitung 90 versehen, welche Kühlwasser zu- und abführen. Der Wärmetauscher 70 kühlt das Abgas, um eine gewünschte Abgastemperatur zu erreichen (oder unterstützt dieses Ziel).
Öleinspritzsystem
Stromabwärts des Brenners 60 wird das Abgas an einem optionalen Öleinspritzbereich 110 vorbei geleitet, welcher verwendet werden kann, um eine präzise geregelte Menge von Schmieröl in den Abgasstrom einzubringen. Der Öleinspritzbereich 110 erzeugt einen atomisierten Ölnebel, welcher Öltröpfchen mit einem ausreichend kleinen Durchmesser enthält, um das Öl zu verdampfen und zu oxidieren, bevor es das Emissionssteuergerät 170 erreicht. Das Öleinspritzsystem 110 kann Mittel zur Messung der Verbrauchsmenge und des Oxidationsstatus (unverbrannt, teilweise verbrannt, oder vollständig verbrannt) des gelieferten Öls stromabwärts der Öleinspritzung aufweisen. Im Beispiel der 1, wird Schmierstoff (oder eine andere Flüssigkeit) mittels einer Ölpumpe 160 aus dem Ölreservoir 150 entnommen. Es kann im Wesentlichen jede Arte von Pumpe verwendet werden, vorzugsweise eine Pumpe, welche das Schmiermittel aus dem Reservoir durch eine Öleinspritzleitung 140 und in eine wassergekühlten Sonde 120 befördert, von wo das Öl in das Abgas hineingespritzt wird.
Wie unten erläutert, wird die Öldüse 120 üblicherweise zum Einspritzen von Motorschmierstoff oder Additiven, die gewöhnlich in solchen Schmierstoffen gefunden werden, verwendet, um Abgase mit gewünschter PM-Zusammensetzung zu erzeugen. Ungeachtet der Tatsache, ob Öl oder Additive eingespritzt werden sollen, wird die Düse 120 hier als Öldüse bezeichnet.
Sekundäres Lufteinblasen
Die sekundäre Luftdüse 195 bläst Luft (oder jedes andere Gas) in die Abgasstromleitung 193 stromabwärts des Wärmetauschers 70 ein. Zur Erzeugung von Abgas mit gewünschter PM-Zusammensetzung wird üblicherweise, wie unten erläutert, die Luftdüse 120 verwendet, um Sauerstoff in das Abgas zu blasen, entweder durch Einblasen von Luft oder von Sauerstoff. Unbeachtet der Tatsache, ob Luft oder Sauerstoff eingeblasen wird, wird die Düse 195 hier als Sauerstoffdüse bezeichnet.
Steuereinheit
Wieder Bezug nehmend auf 1, empfängt die Steuereinheit 190 Eingaben von verschiedenen Sensoren, die mit dem System 100 verbunden sind und liefert Steuersignale zu seinen verschiedenen Aktuatoren. Die Steuereinheit 190 kann mit konventionellem Computerequipment ausgerüstet sein, einschließlich Prozessoren und Speicher. Sie ist ausgerüstet mit geeigneten Eingabegeräten, einem Monitor und einer Multifunktions-Datenerfassungskarte, die mit einem digitalen Relaismodul verbunden ist, um Systeminformationen zu überwachen und zu registrieren und um die Systemelektronik zu steuern. Die Steuereinheit 190 ist programmiert, um zahlreiche Simulationsprogramme ablaufen zu lassen.
Die Sensoren weisen einen Sensor 50 auf und können weitere Sensoren zur Messung zahlreicher Gasgehalte und Ströme aufweisen. Verschiedene gemessene Parameter, die von der Steuereinheit 190 erfasst werden, können sein: der Luftmassenstrom im System, das Luft/Kraftstoff Verhältnis (linear und EGO), die Abgastemperatur am Auslass des Wärmetauschers, die Abgastemperatur am Eingang zum Emissionssteuergerät und die Abgastemperatur am Ausgang des Emissionssteuergerätes, und zahlreiche chemische Bestandteile des Abgases. Die von den Sensoren gemessene Information wird durch elektronische Signale zur Steuereinheit 190 übertragen, welche alle gemessenen Parameter auf periodischer Basis misst und die Messdaten in einem Datenspeicher speichert.
Die von der Regeleinheit 190 gesteuerten Aktuatoren umfassen zahlreiche Düsen, Pumpen, Ventile und Gebläse (wie oben beschrieben). Insbesondere regelt die Regeleinheit 190 das Luft/Kraftstoff Verhältnis durch Modulieren des zur Kraftstoffdüse 16 geförderten Kraftstoffs, entweder unter einer offenen oder einer geschlossenen Schleifensteuerkonfiguration. Die Steuereinheit 190 stellt weiterhin Mittel bereit zur Steuerung der Zündung, der Luftunterstützung für die Kraftstoffdüse, Sekundärluft, Kraftstoffzufuhr, Gebläseluftzufuhr und Öleinspritzung. Ein Beispiel eines geeigneten Steuersystems könnte eine proportional integrale derivative Steuerschleife (PID) sein.
Die Steuereinheit 190 überwacht das System 100 aus Sicherheitsgründen. Zum Beispiel kann sie verwendet werden, um festzustellen, dass der Brenner gezündet ist und dass das Abgas zwischen spezifizierten Grenzen sowohl für die Temperatur als auch für das Luft/Kraftstoff Verhältnis liegt. Die Steuereinheit 190 ist programmiert, Schadensbilder zu identifizieren und zu adressieren und das System 100 zu überwachen und zu einem sicheren Abschalten zu steuern, wenn ein Fehlmodus detektiert ist.
Eine interaktive Interface-Programmierung der Steuereinheit 190 erlaubt einem Operator, zahlreiche Alterungszyklen zu entwickeln und ablaufen zu lassen. Der Operator kann die Steuereinheit 190 verwenden, um die Wirkungen der Verwendung von verschiedenen Ölen und anderen Kraftstoffverunreinigungen oder Additiven zu untersuchen. Die Eingangstemperatur zu dem Emissionssteuergerät 170 kann über weite Temperaturbereiche eingestellt werden. Die Steuereinheit 190 kann verwendet werden, um Energie zu den Gebläsen und der Kraftstoffpumpe zu schalten, sowie die luftunterstützten Kraftstoffdüsen, die Brennerzündung, die Öleinspritzung und die Sekundärluft zu regeln. Systemtemperaturen, Luftdurchflussmenge für die Verbrennungsluft und das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff werden gemessen und in technische Einheiten umgerechnet. Das Softwareprogramm verwendet gemessene Daten, um den gesamten Abgasstrom und das Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff zu berechnen und die Bedingungen zu ermitteln, die für eine Systemfehlfunktion indikativ sind. Das Luft- zu Kraftstoffverhältnis des Brenners kann entweder als offene oder geschlossene Schleife unter Aufrechterhaltung entweder eines speziellen Kraftstoffflusses oder eines speziellen Luft zu Kraftstoff Verhältnisses gesteuert werden. Die Luft zu Kraftstoff Verhältnis Regelung wird durch Variieren der Kraftstoffmenge, die dem Brenner zugeführt wird, erzielt. Wann immer notwendig, kann eine offene Schleifenregelung aktiviert werden, die dem Operator erlaubt, in einen festen Kraftstoffdüsen-Impulsarbeitszyklus einzutreten. Die geschlossene Schleifensteuerung kann aktiviert werden, indem das aktuelle Luft zu Kraftstoff Verhältnis des Brenners gemessen und mit dem gemessenen Wert des Luft zu Kraftstoff Sollwertes verglichen wird, und anschließend das Kraftstoffdüsen-Arbeitsprogramm eingestellt wird, um den gemessenen Fehler zu korrigieren.
Erzeugung von Dieselabgas
Die Steuereinheit 190 kann programmiert werden, um Dieselabgas mit spezifizierten Mengen an speziellen Abgaskomponenten zu erzeugen, z. B. um Dieselabgas zu simulieren, das in kalten Klimazonen, in großen Höhen, während Motorbeschleunigungsbedingungen (d. h. erhöhte NOx-Produktion), während Motorverzögerungsbedingungen (d. h. reduzierte NOx-Produktion), und in Kombinationen davon, erzeugt wird.
Zusätzlich kann zur Unterstützung der Simulierung eines bevorzugten Dieselabgases ein Nachbehandlungsgerät angeordnet werden. Zum Beispiel kann das System 100 stromaufwärts des Kollektors 180 einen NOx-reduzierenden Katalysator einschließen, um NOx-reduzierte Abgase im Kollektor zu simulieren. Alternativ kann das System 100 befeuert und betrieben werden, um NOx-reduziertes Abgas zu erzeugen, ohne eine Reduzierungsvorrichtung zu verwenden.
Die Hauptkomponenten von Dieselabgas umfassen Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Oxide von Stickstoff (NOx), Oxide von Schwefel, Kohlenwasserstoffe (HCs), unverbrannte kohlenstoffpartikelförmiges Material (PM), Sauerstoff und Stickstoff, sind aber nicht notwendigerweise darauf beschränkt. Im Abgas können, abhängig von den gewünschten Testbedingungen, ebenso andere Komponenten enthalten sein. Bevorzugte Bestandteile umfassen Komponenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphor, Zink, Schwefel, Kalzium, Magnesium, Harnstoff, Ammoniak und Kombinationen davon. Die Menge und Zusammensetzung von Dieselabgas kann abhängig von der Zahl der zu simulierenden Faktoren variieren, wie: Abnutzung von beweglichen Motorteilen, Qualität des Schmieröles, Schmierölverbrauch, Qualität des Dieselkraftstoffes, Motortyp, Motortuning, Kraftstoffpumpeneinstellung, Belastungsanforderung an den Motor, Motortemperatur, und Motorwartung, ist aber nicht notwendigerweise darauf beschränkt. Schwefeldioxid wird durch den Schwefel erzeugt, der in dem Dieselkraftstoff und im Schmieröl enthalten ist, und die Konzentration von Schwefeldioxid im Abgas hängt vom Schwefelgehalt des Kraftstoffs und des Schmieröls ab.
Dieselpartikelförmiges Material (PM) wird während des Verbrennungsprozesses in einem Dieselmotor und während des anschließenden Weges des Abgases im Abgassystem erzeugt. Das PM umfasst üblicherweise Kohlenstoff, Metall, absorbierte organische Komponenten (z. B. Kohlenwasserstoffe) und schwankende Mengen von Sulfaten, Nitraten und Kombinationen davon. Die Bildung von PM kann simuliert werden durch die Verwendung unterschiedlicher Formen von Kohlenstoffpulver (Ruß) oder durch Betätigen des Brenners bei kraftstoffreichen Bedingungen. PM enthält auch unterschiedliche Mengen von Sulfaten des Kraftstoffes und Ölschwefels und einen löslichen organischen Anteil, der hauptsächlich vom Schmieröl herrührt.
PM ist nicht nur ein Verbundmaterial, sondern seine Komponenten selbst sind verantwortlich für die PM-Bildung und seine Eigenschaften. Das Verfahren durch das die partikelförmigen Teile erzeugt werden, ist Keimbildung und Agglomeration.
Dieselpartikel können sehr fein sein. Die primären (Keim-)Kohlenstoffpartikel haben einen Durchschnittsdurchmesser von etwa 0,01 μm bis etwa 0,08 μm, während die Agglomerate einen Durchschnittsdurchmesser von etwa 0,08 μm bis etwa 1,0 μm aufweisen.
Wie oben angegeben, hängt die Zusammensetzung des PM auch von den Motorbetriebsbedingungen ab. Die aktuelle Zusammensetzung der Partikel hängt auch von den thermodynamischen Bedingungen im Dieselabgas und dem verwendeten Partikelanreicherungssystem ab. Zum Beispiel können unter normalen Motorarbeitsbedingungen Partikel mit absorbierten und kondensierten organischen Bestandteilen hohen Molekulargewichts beschichtet sein.
Weil PM im Motorzylinder als Ergebnis von hohem Druck und Temperatur entsteht und durch das Kraftstoff zu Luft Verhältnis in verschiedenen Bereichen der Brennkammer beeinflusst wird, ist es nicht ohne Bedeutung, PM anders als durch einen Dieselselbstzündungsmotor nachzubilden. Ein Merkmal des Systems 100 ist, dass es programmiert und betrieben werden kann, um Dieselabgas zu erzeugen, das eine gewünschte Zusammensetzung und Größe von Dieselpartikeln enthält. Das System 100 kann dieselben PM erzeugen, wie sie von einem Dieselmotor erzeugt werden.
Bezug nehmend auf 1 wird der Brenner 60 benutzt, um eine initiale PM-Vorstufe zu erzeugen. Der Brenner 60 wird überstöchometrisch betrieben, um eine unvollständige Kraftstoff- und Ölverbrennung zu induzieren und dabei frei werdendes PM bereitzustellen. Durch geeignetes Programmieren der Steuereinheit 190 kann der Dieselkraftstoff mit Schmieröl oder Schmieröladditiven angereichert werden. Auf die gleiche Weise kann der Schwefelgehalt des Kraftstoffes und/oder Öles gesteuert werden, ebenso wie eine Asche-bildende Komponente des Öles. Die Mehrphasenmischung des Brenners 60 strömt zur Kühlung durch den Wärmetauscher 70. Die Kühlrate ist gesteuert, so z. B. durch Variieren der Verweilzeit im Wärmetauscher 70, um die gewünschte Keimbildung und Agglomeration des PM zu erreichen.
Stromabwärts des Wärmetauschers 70 wird das Abgas „gealtert” und zwar durch Verwendung entweder der Öldüse 120, oder der Sauerstoffdüse 195, oder beider Düsen. Die Düse 195 wird verwendet, um Gase, wie Luft oder Sauerstoff, zu injizieren. Insbesondere, kann die Düse 195 benutzt werden, um den Sauerstoffgehalt zu erhöhen und den Sauerstoffgehalt des Dieselabgases zu simulieren. Ein typischer Sauerstoffgehalt liegt zwischen 2 und 10 Vol.%, insbesondere zwischen 4 und 8 Vol.%. Sauerstoff im Abgas während der PM-Keim Bildung und Agglomeration ist wichtig im Hinblick auf die endgültige Zusammensetzung des PM. Luft und Sauerstoff werden an der Stelle injiziert, wo das Abgas eine bestimmte Temperatur aufweist. Eine geeignete Temperatur an der Injektionsstelle ist niedriger als 650°C, und üblicherweise 500°C oder weniger. Ein Einspritzen bei höheren Temperaturen kann eine unerwünschte Verbrennung des entstehenden PM hervorrufen.
Die In-Abgasöldüse 120 kann entweder stromaufwärts oder stromabwärts der Gasdüse 195 verwendet werden. Öl oder Öladditiv-Komponenten, die über die Düse 120 eingespritzt werden, werden, verglichen mit den dem Kraftstoff direkt zugefügten Komponenten weniger verbrannt und können verwendet werden, den Teil des PM-Entstehungsprozesses zu simulieren, der nicht direkt aus der Verbrennung in den Motorverbrennungskammern resultiert. Diese Öleinspritzung wird in erster Linie dazu verwendet, um den löslichen organischen Anteil des PM zu modifizieren. Zahlreiche Additive, die bekannt sind, um die Produktion von Asche im Abgas anzuregen, können über die Öldüse zugeführt werden.
Das PM-haltige Abgas wird in einer Quench-Zone 170 abgeschreckt (gequencht), die das Abgas kühlt. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass ein Eisbad oder ein anderes Kühlverfahren verwendet wird. Das Quenchen fixiert das PM in seiner gegenwärtigen Form. Wenn gewünscht, kann das PM in einem Kollektor 180 aufgefangen werden. Es versteht sich, dass für bestimmte gewünschte PM-Eigenschaften nicht alle Stufen des vorstehend beschriebenen Verfahrens notwendig sein müssen.
Testen des Dieselpartikelfilters
Ein Dieselpartikelfilter ist irgendein Apparat, der Partikel aus Dieselabgas, das einen Filter kontaktiert, auffangt und zurückhält. Im Allgemeinen besteht ein Dieselpartikelfilter aus einem porösen Substrat oder aus Keramikfasern, die die Partikel zurückhalten, Gasen im Dieselabgas jedoch erlauben, zu passieren.
Im Allgemeinen wird Dieselpartikelfilteralterung durch eine Verringerung der Filtrationseffektivität nachgewiesen. Die Verringerung der Filtrationseffektivität ergibt sich aus den multiplen PM-Bindungen/Regenerationszyklen, welche zur Ascheanreicherung in dem Dieselpartikelfilter führt. Das Altern hängt auch von zahlreichen Faktoren ab, wie der Einwirkungszeit des Abgases auf den Dieselpartikelfilter, der Durchflussmenge des Abgases durch den Filter, der Höhe des Druckabfalls während der Verwendung, der Porosität des Filters, des verwendeten Filtermaterials und der Umgebungsfeuchtigkeit, die aber nicht notwendigerweise darauf beschränkt sind.
Während der Verwendung des Systems 100 zu Alterung eines Dieselpartikelfilters wird die Durchflussrate im Allgemeinen von etwa 0 zu etwa 100 Standard Kubikfuß pro Minute (scfm) aufrechterhalten, und die Abgastemperatur wird im Allgemeinen bei etwa 150–650°C gehalten, insbesondere bei etwa 150 bis 300°C für eine erhöhte Laufzeit. Einwirkungszeiten werden üblicherweise gemäß dem Typ des Dieselpartikelfilters der getestet wird, gemäß den Komponenten des Abgasprodukts, den gewünschten Alterungsbedingungen, die simuliert werden sollen und Kombinationen davon, bestimmt.
Regeneration eines Dieselpartikelfilters erfordert die Beseitigung der Partikelmaterie. Im Allgemeinen wird die Abgastemperatur auf eine Temperatur erhöht, die ausreichend hoch ist für die Selbstentzündung und das Aufrechterhalten der Verbrennung des partikelförmigen Materials auf dem Filter. Regenerationstemperaturen betragen im Allgemeinen etwa 300–650°C, vorzugsweise etwa 350°C oder höher für katalysierende Dieselpartikelfilter, abhängig von der Katalysatorzusammensetzung, und etwa 600°C oder höher für die meisten nicht-katalysierenden Dieselpartikelfilter. Die Schadstoffpartikel müssen zur Selbstzündung und Aufrechterhaltung der Verbrennung im Allgemeinen eine Minimaltemperatur von etwa 500–650°C erreichen. Die gewünschte Temperatur wird bestimmt durch Faktoren, wie die Art des Dieselpartikelfilters, der getestet wird, die Kraftstoffschwefelgehalte, NOx-Gehalte, Sauerstoffgehalte, PM-Gehalte, und Kombinationen davon, sind aber nicht notwendigerweise darauf beschränkt.
Das System 100 ist in der Lage, thermische Abweichungen von noch höheren Temperaturen zu erzeugen, um das Alter zu simulieren und verschiedene Nachbehandlungseinrichtungen zu regenerieren.
Während der Regeneration, zur schnellen Oxidation des partikelförmigen Materials, muss ausreichend freier Sauerstoff zur Verfügung stehen, vorzugsweise zwischen 3 und 20% des Abgasstromes. Die Temperatur- und Sauerstoffgehalte werden aufrechterhalten, bis die Regeneration vollständig ist. Das System 100 kann programmiert werden, um einen gewünschten Alterungszyklus und/oder einen gewünschten Regenerationszyklus zu reproduzieren, und zwar für sich oder in Kombination, einmalig oder mehrmals, wie es gewünscht wird.
Personen, die mit diesem Fachgebiet vertraut sind, werden erkennen, dass zahlreiche Abweichungen von der vorliegenden Anmeldung möglich sind ohne den Geist oder den Umfang der Anmeldung zu verlassen. Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel dient lediglich der Illustration und sollte nicht als eine Einschränkung der Anmeldung, die in den Ansprüchen definiert ist, gesehen werden.

Claims

Ein Verfahren zur Erzeugung von Abgas, das, unter Verwendung eines Brenner-gestützten Systems (100), partikelförmiges Material (PM) enthält, welches das PM simuliert, welches von einem dieselgetriebenen Verbrennungsmotor erzeugt wird, aufweisend: Verwenden eines Brenners (60) zur Aufnahme von Luft und Kraftstoff und zur Verbrennung der Luft und des Kraftstoffes, um Abgas und frei werdendes PM im Abgas zu erzeugen; Verwenden eines Wärmetauschers (70), um das Abgas stromabwärts des Brenners (60) auf eine Temperatur von nicht mehr als 650°C abzukühlen; Verwenden einer Sauerstoffdüse (195), um eine vorbestimmte Menge Sauerstoff in das Abgas einzublasen, um damit das Abgas mit einem Sauerstoffgehalt von 2–10 Vol.% bereitzustellen; Verwenden eines Quenchers (170) stromabwärts der Sauerstoffdüse (195), um das Abgas auf eine Temperatur abzukühlen, die ausreichend niedrig ist, um die Zusammensetzung des PM zu fixieren; und Verwenden eines computergesteuerten Regelsystems (190) zur Regelung der Menge und der Terminierung der Zufuhr von Kraftstoff und Sauerstoff, zum Brenner (60) und zur Sauerstoffdüse (195).
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brenner (60) überstöchiometrisch betrieben wird.
Das Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend den Schritt des Anreicherns des Kraftstoffes mit Schwefelverbindungen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend den Schritt des Anreicherns des Kraftstoffes mit Schmieröl oder zumindest mit einem Schmieröladditiv.
Das Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend den Schritt der Verwendung einer Öldüse (120), die zwischen dem Wärmetauscher (70) und dem Quencher (170) angeordnet ist, um eine vorbestimmte Menge von Motorschmierstoff oder Additiv in das Abgas zu injizieren, und dabei eine vorbestimmte Menge eines löslichen organischen Anteils im Abgas bereitzustellen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend den Schritt der Verwendung einer Öldüse (120), die zwischen dem Wärmetauscher (70) und dem Quencher (170) angeordnet ist, um eine vorbestimmte Menge von Additiv in das Abgas zu injizieren, und dabei Asche im Abgas bereitzustellen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Verwendung eines Wärmetauschers (70) durch Steuerung der Verweilzeit des Abgases im Wärmetauscher (70) durchgeführt wird.
Ein Verfahren zur Verwendung eines Brenner-gestützten Systems (100) zur Prüfung eines Emissionssteuergeräts, das Abgas, welches partikelförmiges Material (PM) enthält, aufbereitet, aufweisend: Verwenden eines Brenners (60) zur Aufnahme von Luft und Kraftstoff und um die Luft und den Kraftstoff zu verbrennen, um Abgas und freiwerdendes PM im Abgas zu erzeugen; Verwenden eines Wärmetauschers (70), um das Abgas stromabwärts des Brenners (60) auf eine Temperatur von nicht mehr als 650°C abzukühlen; Verwenden einer Sauerstoffdüse (195), um eine vorbestimmte Menge Sauerstoff in das Abgas zu injizieren und damit das Abgas mit einem Sauerstoffgehalt von 2–10 Vol.% bereitzustellen; Verwenden eines Quenchers (170) stromabwärts der Öldüse (120) und der Sauerstoffdüse (195), um das Abgas auf eine Temperatur abzukühlen, die ausreichend niedrig ist, um die PM-Zusammensetzung zu fixieren; Fördern des Abgases zu dem Emissionssteuergerät; und Verwenden eines computergesteuerten Regelsystems (190) zur Regelung der Menge und der Terminierung der Zufuhr von Kraftstoff und Sauerstoff zum Brenner (60) und zur Sauerstoffdüse (195).
Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Brenner (60) überstöchiometrisch betrieben wird.
Das Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin aufweisend den Schritt der Anreicherung des Kraftstoffes mit Schwefelkomponenten.
Das Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin aufweisend den Schritt der Anreicherung des Kraftstoffes mit Schmieröl oder zumindest einem Schmieröladditiv.
Das Verfahren nach Anspruch 8, weiterhin aufweisend den Schritt des Verwendens einer Öldüse (120), die zwischen dem Wärmetauscher (70) und dem Quencher (170) angeordnet ist, um eine vorbestimmte Menge von Motorschmierstoff oder Additiv in das Abgas zu injizieren, und dabei eine vorbestimmte Menge eines löslichen organischen Anteils in das Abgas einzubringen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Schritt der Verwendung eines Wärmetauschers (70) durch Steuerung der Verweilzeit des Abgases im Wärmetauscher (70) durchgeführt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Emissionssteuergerät ein Dieselpartikelfilter ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Emissionssteuergerät ein Dieselpartikelfilter ist und wobei das Regelungssystem (190) programmiert ist, um das System (100) im Regenerationsmodus zu betreiben.