DE19710839A1 - Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbren­ nungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, wobei dem Verbrennungsmotor ein Gas mit erhöhtem Sauer­ stoff(O₂)-Gehalt zugeführt wird, welches aus der Atmosphärenluft durch wenigstens eine, in einer Kammer angeordnete, nur für Sauerstoff-Moleküle (O₂) durch­ gängige Membran gewonnen wird.

Etwa 80% der Kohlenmonoxid (CO)- und Kohlenwasserstoff (HC)-Gesamtemission eines Benzin-Verbrennungsmotors werden nach einem Kaltstart, etwa während der ersten 120 Sekunden nach dem Kaltstart, emittiert. Ursache hierfür ist eine mangelhafte Konvertierung der Motor­ rohemissionen durch einen noch nicht auf Betriebs­ temperatur arbeitenden Katalysator. Um diesem Problem zu begegnen, muß die Katalysatoranspringzeit, d. h. die Zeit, die vergeht, bis der Katalysator seine Betriebs­ temperatur erreicht, verkürzt werden. Zur Verkürzung der Anspringzeit des Katalysators sind Vorrichtungen zur Beheizung des Katalysators bekannt. Eine Verkürzung der Anspringzeit des Katalysators kann auch durch eine Sauerstoff(O₂)-Anreicherung der dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluft erreicht werden. Durch eine solche O₂-Anreicherung wird nämlich die Abgastemperatur im Falle eines konstanten Lambda-Wertes erhöht, da die Menge des bei dem Verbrennungsvorgang zu erwärmenden Stickstoffs (N₂) verringert wird. Hierdurch verkürzt sich die Katalysatoranspringzeit. Gleichzeitig verbes­ sert sich die Kraftstoffumsetzung im Verbrennungsmotor, so daß auch die Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff- Emissionen verringert werden. Beide Effekte führen daher zu einer deutlichen Verminderung der Kohlenmon­ oxid- und Kohlenwasserstoff-Emissionen hinter dem Katalysator in der Kaltstartphase.

Ein Verfahren zur Anreicherung der dem Motor zugeführ­ ten Frischluft mit Sauerstoff (O₂) geht beispielsweise aus der DE 44 04 681 C1 hervor. Hierbei ist vorgesehen, daß einem mit einer Verbrennungskammer verbundenen Abgaskanal wenigstens ein ein Sauerstoff-Stickstoff- Luftgemisch führender Kanal in Form einer Kammer zugeordnet ist und dieser mit einer für Sauerstoff durchlässigen bzw. diesen speichernden Zwischenwand versehen ist und von dem Sauerstoff-Stickstoff-Luftge­ misch ausschließlich der Sauerstoff dem einer Ver­ brennungskammer zugeleiteten Verbrennungsabgas zu­ geführt wird.

Problematisch bei diesem Verfahren ist zum einen, daß bei diesem Verfahren kontinuierlich eine O₂-Anreiche­ rung der dem Motor zugeführten Frischluft vorgenommen wird, obwohl eine solche Anreicherung vorzugsweise nur in einigen Betriebszuständen des Kraftfahrzeugs, beispielsweise in der Kaltstartphase, vorgenommen werden muß. Darüber hinaus kann nicht benötigte O₂- angereicherte Luft nur in eingeschränktem Maße zwi­ schengespeichert werden.

Es ist auch bekannt, eine O₂-Anreicherung durch Zumi­ schen von reinem Sauerstoff (O₂) zur angesaugten Frischluft vorzunehmen, wobei der Sauerstoff einem Reservoir in Form einer Druck-Gasflasche entnommen wird, die im Kraftfahrzeug fest installiert ist und an entsprechend ausgerüsteten Tankstellen nachgefüllt werden muß. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß ein erheblicher Aufwand zur entsprechenden Bereitstellung der Infrastruktur vorgenommen werden muß, der erhöhte Betriebskosten nach sich zieht.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß auf technisch einfach zu realisierende Weise eine betriebszustandsabhängige Sauerstoffanrei­ cherung im Fahrbetrieb ermöglicht wird.

Vorteile der Erfindung

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbren­ nungsmotoren der eingangs beschriebenen Art erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß das die Kammer verlassende Gas mit erhöhtem Sauerstoff(O₂)-Gehalt betriebszu­ standsabhängig unter erhöhtem Druck in einem in dem Kraftfahrzeug angeordneten Behältnis zwischengespei­ chert und bei einem späteren Fahrzyklus der Ansaugluft beigemischt wird.

Die betriebszustandsabhängige Zwischenspeicherung der O₂-angereicherten Luft und die ebenfalls betriebs­ zustandsabhängige Beimischung dieser O₂-angereicherten Luft zur Ansaugluft bei einem späteren Fahrzyklus hat den besonders großen Vorteil, daß zum einen Sauer­ stoff(O₂)-angereicherte Luft nur in bestimmten ausge­ wählten Betriebszuständen erzeugt und zum anderen nur in solchen Betriebszuständen dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, in denen dies zur Verminderung der Schadstoffemission erforderlich ist.

Rein prinzipiell könnte der Sauerstoff in den unter­ schiedlichsten Betriebszuständen erzeugt und ebenso in beliebigen Betriebszuständen der dem Verbrennungsmotor zugeführten Frischluft beigemischt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß das die Kammer verlassende Gas mit erhöhtem Sauerstoff(O₂)-Gehalt im warmen Betriebszustand des Verbrennungsmotors unter Druck in dem Behältnis zwischengespeichert wird und daß das zwischengespei­ cherte Gas mit erhöhtem Sauerstoff(O₂)-Gehalt der Ansaugluft des Verbrennungsmotors in einem oder mehreren der folgenden Betriebszustände beigemischt wird: in der Kaltstartphase, in der Leerlaufphase, in der Warmlaufphase.

Die Erzeugung des O₂-angereicherten Gases und dessen Zwischenspeicherung unter Druck im warmen Betriebs­ zustand des Verbrennungsmotors ist deshalb vorteilhaft, weil ein Verbrennungsmotor im warmen Betriebszustand gewöhnlich die niedrigsten Schadstoffemissionen aufweist. Der warme Betriebszustand, d. h. der Dauer- Betriebszustand bei warmem Verbrennungsmotor, bietet sich daher zur Zwischenspeicherung des O₂-angereicher­ ten Gases an.

Die Beimischung des O₂-angereicherten Gases zur An­ saugluft des Verbrennungsmotors in den Betriebszustän­ den Kaltstartphase, Leerlaufphase und Warmlaufphase hat den großen Vorteil, daß hierdurch durch Erhöhung der Abgastemperatur und Verbesserung der Kraftstoffumset­ zung Schadstoffemissionen, insbesondere die Emissionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen, deutlich verringert werden.

Rein prinzipiell kommen die unterschiedlichsten Membranen zum Einsatz. So sind beispielsweise Zirkon­ oxid(ZrO₂)-Membranen bzw. druckgetriebene Membranen aus gemischtleitenden Materialien, z. B. Perovskite, einsetzbar. Diese Keramik-Membranen erfordern für eine wirkungsvolle Sauerstoff-Anreicherung erhöhte Tempera­ turen, die vorzugsweise größer als 400°C betragen. Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht daher vor, daß die zur Erwärmung der Membran sowie die zur Erwärmung des die Membran durchströmenden Gasstroms erforderliche Heizungsenergie wenigstens teilweise aus der thermischen Abgasenergie gewonnen wird.

Eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht darüber hinaus vor, daß die zur Erwärmung der Membran sowie die zur Erwärmung des die Membran durchströmenden Gasstroms erforderliche Heizungsenergie wenigstens teilweise durch einen Wärmetausch zwischen den die Kammer verlassenden Gase und den in die Kammer strömenden Gase gewonnen wird. Hierdurch wird die thermische Energie, welche die die Kammer verlassenden, O₂-angereicherten Gase aufweisen, auf besonders wirt­ schaftliche Weise genutzt, um die in die Kammer einströmende Luft zur Erhöhung des Wirkungsgrads der O₂-Anreicherung zu erwärmen.

Im Falle der Verwendung von Zirkonoxid(ZrO₂)-Membranen wird die Sauerstoff(O₂)-Ionenleitung durch eine Span­ nungsdifferenz über der Membran hervorgerufen. Es ist daher erforderlich, der Membran elektrische Energie zuzuführen. Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht daher vor, daß die der Membran zugeführte elektrische Energie durch Umwandlung einer abzubauenden kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs, vorzugsweise bei einem Bremsvorgang, gewonnen wird. Auf diese Weise kann die Energie, die gewöhnlich bei Bremsvorgängen ungenutzt als Dissipationsenergie umgesetzt wird, sinnvoll genutzt werden.

Bei gemischtleitenden Keramik-Membranen muß ein Partialdruckgefälle an der Membran in Form von Pump- bzw. Kompressionsarbeit erzeugt werden. Eine sehr vor­ teilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht daher vor, daß eine zur Erzeugung eines Partialdruckgefälles der Membran zuzuführende Pump- oder Kompressionsarbeit durch Umwandlung einer abzubauenden kinetischen Energie des Kraftfahrzeugs, vorzugsweise bei einem Bremsvor­ gang, gewonnen wird. Hierzu ist lediglich eine ge­ eignete Kopplung zwischen der Bremse und einer Pumpe/einem Kompressor erforderlich, die auf einfache Weise realisiert werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, daß bei den oben be­ schriebenen Ausführungsbeispielen sowohl zur Erwärmung der Membran und des die Membran durchströmenden Gasstroms als auch zur Erzeugung der der Membran zuzuführenden elektrischen oder mechanischen Energie jeweils die bei Fahrzeugen anfallenden dissipativen Energien, beispielsweise des Abgases, oder der Brems­ vorgänge wenigstens teilweise in die Energiebilanz der Erzeugung Sauerstoffangereicherter Luft einbezogen werden können.

Zeichnung

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Anhand der Figur wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Verfahrens erläutert.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Zum Einsatz kommen Keramikmembranen, beispielsweise aus Zirkonoxid(ZrO₂) oder aus gemischtleitenden Materia­ lien, z. B. Perovskite. Diese Materialien sind Sauer­ stoff-Ionenleiter, wobei bei Vorhandensein einer entsprechenden treibenden Kraft eine Diffusion von Sauerstoff-Ionen durch die keramischen Membranmateria­ lien stattfindet.

Im Falle von Zirkonoxid wird die Sauerstoff-Ionenlei­ tung durch eine Spannungsdifferenz über der Membran hervorgerufen. Der Ladungstransport mit Sauerstoff- Ionen durch die Membran wird durch einen Elektroden­ strom über eine äußere leitende Verbindung zwischen den beiden Membranseiten erzeugt. Über diese elektrische Spannung kann insbesondere ohne zusätzliche mechanische Pumparbeit, eine Verdichtung des reinen Sauerstoffs (O₂) auf Drücke größer als 10²⁰ bar erzielt werden.

Bei den gemischtleitenden Keramiken dient ein auf weiter unten beschriebene Weise zu erzeugendes Sauer­ stoff-Partialdruckgefälle über der Membran als treiben­ de Kraft.

Beide Membran-Materialien zeigen für einen wirkungs­ vollen und daher ökonomischen Einsatz sinnvolle Permeationsraten erst bei erhöhten Temperaturen, vorzugsweise bei Temperaturen größer als 400°C.

Der Verfahrensablauf gliedert sich nun wie folgt.

Mittels der oben beschriebenen Keramikmembran wird an Bord eines Kraftfahrzeugs im warmem Betriebszustand des Verbrennungsmotors auf an sich bekannte und beispiels­ weise in der DE 44 04 681 C1, auf die vorliegend Bezug genommen wird, beschriebene Weise Sauerstoff (O₂) separiert und unter erhöhtem Druck, z. B. in einer Gasflasche, zwischengespeichert (Schritte S3, S4, S5).

In einer darauf folgenden Kaltstartphase oder in einer darauf folgenden Warmlaufphase oder auch in einer darauf folgenden Leerlaufphase (Schritt S1) wird die Ansaugluft mit dem zwischengespeicherten Sauerstoff versetzt und anschließend als Ansaugluft dem Motor zugeführt (Schritt S2). Auf diese Weise können der Sauerstoff-Gehalt und der Sauerstoff-Massenfluß der Ansaugluft entsprechend den Erfordernissen des Motors, d. h. betriebszustandsabhängig und damit verbrauchs-, leistungs- und emissionsoptimal während der oben erwähnten Betriebszustände (Kaltstart-, Warmlauf- Leerlauf-Phase) gestaltet werden.

Dabei wird vorteilhafterweise die für die Separation des Sauerstoffs notwendige Energie von dem Kraftfahr­ zeug selbst bereitgestellt. Hierzu werden dissipative Energien ausgenutzt (Schritt S3).

So wird beispielsweise die zur Erwärmung der Keramik­ membran sowie des die Membran durchströmenden, zu separierenden Gasstroms notwendige Heizenergie zum einen teilweise aus der thermischen Abgasenergie, zum anderen teilweise durch Wärmetausch zwischen den die Kammer verlassenden, O₂-angereicherten und O₂-abgerei­ cherten Gasen und der in die Kammer strömenden Frisch­ luft zur Erwärmung dieser Frischluft genutzt.

Auch die im Falle einer Zirkonoxid(ZrO₂)-Keramik erforderliche elektrische Energie wird durch Ausnutzung dissipativer Energien des Fahrzeugs erzeugt. So kann beispielsweise während eines Bremsvorgangs durch Umwandlung der abzubauenden kinetischen Energie durch geeignete Generatoren elektrische Energie erzeugt werden. Die Generatoren werden im Falle von Zirkonoxid- Keramiken dabei so ausgelegt, daß bei niedrigen Spannungen (ca. 1 Volt) sehr hohe Ströme erzeugt werden können.

Im Falle der Verwendung einer Membran aus einer gemischtleitenden Keramik muß ein Partialdruckgefälle an der Membran aufgebaut werden, das in Form von Pump- bzw. Kompressionsarbeit erzeugt werden muß. Diese Pump- bzw. Kompressionsarbeit kann durch eine geeignete Kopplung zwischen einer Pumpe bzw. einem Kompressor und der Bremse wiederum durch Nutzung der Energie, die während eines Bremsvorgangs abgebaut wird, erzeugt werden.

Sofern keine dissipativen Energien zur Verfügung stehen (Schritt S6) oder wenn die Druckgasflasche, in der der angereicherte Sauerstoff zwischengespeichert wird, voll ist (Schritt S7) wird das Fahrzeug in einem gewöhnli­ chen Fahrzyklus, d. h. im gewöhnlichen Betriebszustand solange betrieben, bis dieser beendet wird (Schritte S8, S9).

Aufgrund des oben beschriebenen Verfahrens ist es möglich, mit minimalem Energieaufwand Sauerstoff­ angereicherte Luft der Ansaugluft in der Kaltstart­ phase, der Warmlaufphase oder der Leerlaufphase beizumischen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, wobei dem Verbrennungsmotor ein Gas mit erhöhtem Sauer­ stoff(O₂)-Gehalt zugeführt wird, welches aus der Atmosphärenluft durch wenigstens eine, in einer Kammer angeordnete, nur für Sauerstoff-Moleküle (O₂) durchgängige Membran gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kammer verlassende Gas mit erhöhtem Sauerstoff(O₂)-Gehalt betriebszu­ standsabhängig unter erhöhtem Druck in einem in dem Kraftfahrzeug angeordneten Behältnis zwischen­ gespeichert und bei einem späteren Fahrzyklus der Ansaugluft beigemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Kammer verlassende Gas mit erhöhtem Sauerstoff(O₂)-Gehalt im warmen Betriebszustand des Verbrennungsmotors unter Druck in dem Behält­ nis zwischengespeichert wird und daß das zwischen­ gespeicherte Gas mit erhöhtem Sauerstoff(O₂)- Gehalt der Ansaugluft des Verbrennungsmotors in einem oder mehreren der nachfolgenden Betriebs­ zustände beigemischt wird: in der Kaltstartphase, in der Leerlaufphase, in der Warmlaufphase.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zur Erwärmung der Membran sowie die zur Erwärmung des die Membran durchströmenden Gasstroms erforderliche Heizenergie wenigstens teilweise aus der thermischen Abgasenergie gewon­ nen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erwärmung der Membran sowie die zur Erwärmung des die Membran durchströmenden Gasstroms erforderliche Heiz­ energie wenigstens teilweise durch einen Wärme­ tausch zwischen dem die Kammer verlassenden Gasstrom und dem in die Kammer strömenden Gasstrom gewonnen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membran zuführbare elektrische Energie durch Umwandlung einer abzubauenden kinetischen Energie des Kraft­ fahrzeugs, vorzugsweise bei einem Bremsvorgang, gewonnen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Erzeugung eines Partialdruckgefälles der Membran zuzuführen­ de Pump- oder Kompressionsarbeit durch Umwandlung einer abzubauenden kinetischen Energie des Kraft­ fahrzeugs, vorzugsweise bei einem Bremsvorgang, gewonnen wird.