DE19710840A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts in der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts in der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts in der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors, wobei die Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts dadurch erfolgt, daß Luft durch eine nur für Sauerstoff-Moleküle durchgängige Membran geleitet wird, die in einem in den Ansaugkanal münden­ den Anreicherungskanal angeordnet ist, und wobei der Sauerstoff-Gehalt in dem Ansaugkanal durch wenigstens ein Sensormittel kontinuierlich erfaßt wird.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen, bei welchen der Ansaugluft ein Gas mit erhöhtem Sauerstoff-Gehalt zugeführt wird, das dadurch gewonnen wird, daß Luft durch eine in einer Kammer angeordnete Membran geleitet wird, die nur für Sauerstoff-Moleküle durchgängig ist, geht beispielsweise aus der DE 44 04 681 C1 hervor.
Durch eine derartige Sauerstoff-Anreicherung der dem Motor zugeführten Ansaugluft wird zum einen die Abgastemperatur erhöht und hiermit die Katalysator- Anspringzeit, d. h. die Zeit, die vergeht, bis der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht und seine volle Wirkung entfaltet, verkürzt. Gleichzeitig verbessert sich die Kraftstoffumsetzung im Motor, so daß die Rohemissionen von Kohlenmonoxid und Kohlen­ wasserstoffen (CO, HC) verringert werden. Darüber hinaus wird auch der Stickstoff-Gehalt bei der Ver­ brennung reduziert, wodurch weniger Stickoxide ent­ stehen, die zur Verringerung der Umweltbelastung katalysiert werden müssen.
Problematisch bei diesem Verfahren und bei dieser Vorrichtung ist nun, daß der Sauerstoff-Gehalt des Sauerstoff-angereicherten Gases, das der Ansaugluft zugeführt wird, nicht exakt bestimmt werden kann, so daß beispielsweise mittels einer an sich bekannten Motorsteuerung eine exakte Regelung des Verbrennungs­ prozesses nicht möglich ist. Vielmehr muß die Regelung gewissermaßen indirekt erfolgen, d. h. durch bekannte Sensormittel und Motorsteuerungen, was jedoch einen nicht unerheblichen Eingriff in die Regelalgorithmen der Motorsteuerung erfordert.
Aus der US-PS 4 905 564 geht eine Vorrichtung zur Steuerung einer Abgasrückführung hervor, welche die Steuerung des rückgeführten Abgases über ein Abgasrück­ führungs-Ventil ermöglicht. Bei dieser Vorrichtung ist eine Sauerstoff-Sonde vorgesehen, welche den Sauer­ stoff-Gehalt im Ansaugkanal erfaßt. Abhängig von dem erfaßten Sensorsignal wird eine Verbrennungsmaschine gesteuert. Eine derartige Vorrichtung ermöglicht nicht die Regelung des Sauerstoff-Gehalts. Darüber hinaus ermöglicht sie keine Sauerstoff-Anreicherung, da das rückgeführte Abgas weniger Sauerstoff enthält als gewöhnliche Ansaugluft. Eine solche Abgasrückführung dient im wesentlichen der an sich bekannten Stickstoff­ oxid(NO)-Reduktion, welche dadurch bewirkt wird, daß das rückgeführte Abgas, d. h. ein inertes Gas, der Ansaugluft beigemischt wird, wodurch die Verbrennungs­ temperatur abgesenkt wird und hierdurch weniger Stickstoffoxide entstehen können. Eine Reduzierung der Schadstoffemissionen bei gleichzeitiger Leistungs­ steigerung der Verbrennungsmaschine ist durch eine derartige Vorrichtung nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts in der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß zum einen eine Reduktion der Schadstoffemissionen des Verbrennungsmotors, zum anderen gleichzeitig eine Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors möglich ist.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts in der Ansaugluft eines Ver­ brennungsmotors der eingangs beschriebenen Art erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß abhängig von dem erfaßten Sauerstoff-Gehalt durch wenigstens ein an­ steuerbares Stellmittel die Konzentrationen sowohl der angesaugten Luft als auch der Sauerstoff-angereicherten Luft geändert werden.
Die Änderung der Konzentrationen sowohl der angesaugten Luft als auch der Sauerstoff-angereicherten Luft durch wenigstens ein ansteuerbares Stellmittel abhängig vom erfaßten Sauerstoff-Gehalt hat den besonders großen Vorteil, daß eine kontinuierliche Regelung des Sauer­ stoff-Gehalts der dem Verbrennungsmotor zugeführten Ansaugluft möglich ist, so daß der Verbrennungsmotor immer in einem Betriebszustand betrieben werden kann, der einerseits eine Reduktion der Schadstoffemissionen, andererseits eine optimale Leistungsausbeute ermög­ licht. Durch die geregelte Erhöhung des Sauerstoff- Gehalts der dem Verbrennungsmotor zugeführten An­ saugluft ist zum einen auf die oben beschriebene Weise eine Reduktion der Kohlenmonoxid- und Kohlenwasser­ stoffemissionen möglich, zum anderen wird die Lei­ stungsdichte dadurch erhöht, daß der Sauerstoff dem Verbrennungsvorgang zugeführt wird. Durch den erhöhten Sauerstoff-Gehalt kann nämlich bei einem begrenzten Hubvolumen, das bei jedem Verbrennungsmotor vor­ herrscht, mehr Kraftstoff eingespritzt werden, wodurch sich die Leistungsausbeute erhöht. Besonders vor­ teilhaft ist es auch, daß der Sauerstoff an Bord des Kraftfahrzeugs durch die in dem Anreicherungskanal angereicherte Membran gewonnen werden kann.
Rein prinzipiell könnten zur Erfassung des Sauerstoff- Gehalts unterschiedliche Sensormittel eingesetzt werden. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Sauerstoff-Gehalt durch wenigstens eine Sauerstoff-Sonde erfaßt wird, die hinter dem wenigstens einen Stellmittel angeordnet ist. Hierdurch läßt sich auf besonders einfache Weise der Sauerstoff- Gehalt der dem Motor zugeführten Ansaugluft erfassen.
Insbesondere hinsichtlich einer Korrektur des durch die Sauerstoff-Sonde erfaßten Sauerstoff-Gehalts kann zusätzlich ein Drucksensor vorgesehen sein, durch den der in dem Ansaugkanal hinter dem wenigstens einen Stellmittel herrschende Druck erfaßt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts in der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors, umfassend einen in den Ansaugkanal des Verbrennungsmotors mündenden, mit Umgebungsluft beaufschlagbaren Anreicherungskanal, in welchem wenigstens eine nur für Sauerstoff-Moleküle durchgängige Membran angeordnet ist und wenigstens ein Sensormittel zur Erfassung des Sauerstoff-Gehalts im Ansaugkanal.
Diesbezüglich liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts in der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors der gattungs­ gemäßen Art derart weiterzubilden, daß auf einfache Weise eine geregelte Sauerstoff-Anreicherung der Ansaugluft möglich ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Anreiche­ rung des Sauerstoff-Gehalts der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors der obenbeschriebenen Art erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein geregelt ansteuerbares Stellmittel zur Dosierung der der Ansaugluft beizumischenden Sauerstoff-angereicherten Luft abhängig von dem von dem wenigstens einen Sensor­ mittel erfaßten Sauerstoff-Gehalt vorgesehen ist.
Die Dosierung der Sauerstoff-angereicherten Luft durch das wenigstens eine geregelt ansteuerbare Stellmittel in Abhängigkeit von dem von dem Sensormittel erfaßten Sauerstoff-Gehalt hat den besonders großen Vorteil, daß mit verhältnismäßig geringem technischem Aufwand eine präzise Regelung der Zufuhr der Sauerstoff-angereicher­ ten Luft möglich ist.
Was das Sensormittel betrifft, so können rein prinzi­ piell die unterschiedlichsten Sensormittel in Betracht kommen. Vorteilhafterweise umfaßt das wenigstens eine Sensormittel jedoch eine Sauerstoff-Sonde, die hinter dem wenigstens einen Stellmittel angeordnet ist. Diese Sauerstoff-Sonde ermöglicht eine präzise Bestimmung des Sauerstoff-Gehalts der angesaugten Luft.
Um insbesondere den Partialdruck des in der Ansaugluft vorhandenen Sauerstoffs zu bestimmen, kann des weiteren vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß das wenigstens eine Sensormittel einen zusätzlichen Drucksensor umfaßt, der hinter dem wenigstens einen Stellmittel angeordnet ist. Ein derartiger Drucksensor kann gleichzeitig auch zur Bestimmung des Lastsignals des Verbrennungsmotors verwendet werden.
Hinsichtlich der Ausbildung des wenigstens einen Stellmittels sind die unterschiedlichsten Ausführungs­ formen denkbar. Bei einer Ausführungsform ist vor­ gesehen, daß das Stellmittel eine die Mündung des Anreicherungskanals verschließende Klappe ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, die eine getrennte Dosierung der Sauerstoff-angereicherten Luft sowie der Ansaugluft ermöglicht, ist vorgesehen, daß das wenigstens eine Stellmittel eine in dem Ansaugkanal angeordnete Drosselklappe und eine in dem Anreicherungskanal angeordnete Drosselklappe umfaßt.
Das wenigstens eine Sensormittel und das wenigstens eine Stellmittel sind mit einem Steuergerät elektrisch leitend verbunden. Dabei kann das Steuergerät bei­ spielsweise Teil einer ohnehin vorhandenen Motor­ steuerung des Verbrennungsmotors sein.
Zeichnung
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels, das in der Figur schematisch dargestellt ist.
Das Verfahren zur Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts in der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors wird am besten in Verbindung mit einer Vorrichtung erläutert, welche die Durchführung des Verfahrens ermöglicht.
Eine Vorrichtung zur Anreicherung des Sauerstoff- Gehalts in der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors 10 umfaßt einen Ansaugkanal 20 sowie einen Anreicherungs­ kanal 30.
Der Ansaugkanal 20 ist eingangsseitig durch ein an sich bekanntes Luftfilter 22 abgeschlossen, um zu verhin­ dern, daß Staubpartikel u. dgl. in die Verbrennungs­ maschine 10 gelangen können. Im Ansaugkanal 20 ist eine von einem Steuergerät 40 ansteuerbare Drosselklappe 24 angeordnet, durch welche der Ansaugkanal 20 ganz oder teilweise öffnen- und schließbar ist.
Der Anreicherungskanal 30 mündet in den Ansaugkanal 20. Auch in diesem ist eine von dem Steuergerät 40 an­ steuerbare Drosselklappe 34 vorgesehen, durch welche der Anreicherungskanal 30 ganz oder teilweise öffnen- und schließbar ist.
Im Anreicherungskanal 30 ist eine Membran 32 angeord­ net, die insbesondere für Sauerstoff-Moleküle durch­ gängig ist. Durch den in dem Ansaugkanal herrschenden Unterdruck wird durch diese Membran 32 Luft gezogen, die ausgangsseitig, das heißt im Anreicherungskanal 30, mit Sauerstoff angereichert ist. Zur Erhöhung des Wirkungsgrads kann auch im Anreicherungskanal 30 vor der Membran 32 ein Gebläse oder ein Kompressor (nicht dargestellt) vorgesehen sein, der die vom Sauerstoff angereicherte Luft vor der Membran 32 austauscht.
Im Ansaugkanal 20 hinter der Mündung des Anreicherungs­ kanals 30 sind eine Sauerstoff-Sonde 50 sowie ein Drucksensor 52 vorgesehen, durch welche der Sauerstoff- Gehalt in dem Ansaugkanal 20 bzw. der in dem Ansaugka­ nal 20 herrschende Druck erfaßt und an das Steuergerät 40 weitergeben wird.
Im Steuergerät 40, das beispielsweise eine an sich bekannte Motorsteuerung sein kann, wird hieraus der Sauerstoff-Gehalt der dem Motor 10 zuzuführenden Ansaugluft bestimmt und durch Ansteuerung der Drossel­ klappen 24 und 34 präzise eingestellt. Durch diese Sauerstoff-Erhöhung wird zum einen die Schadstoff­ emission reduziert, zum anderen wird eine Steigerung der Leistung des Motors 10 ermöglicht.

Claims (9)

1. Verfahren zur Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts in der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors (10), wobei die Anreicherung des Sauerstoff-Gehalts dadurch erfolgt, daß Luft durch eine vornehmlich für Sauerstoff-Moleküle durchgängige Membran (32) geleitet wird, die in einem in den Ansaugkanal (20) mündenden Anreicherungskanal (30) angeordnet ist, und wobei der Sauerstoff-Gehalt in dem An­ saugkanal (20) durch wenigstens ein Sensormittel (50, 52) kontinuierlich erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß abhängig von dem erfaßten Sauerstoff-Gehalt durch wenigstens ein ansteuer­ bares Stellmittel (24, 34) die Konzentrationen sowohl der angesaugten Luft als auch der Sauer­ stoff-angereicherten Luft geändert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff-Gehalt durch wenigstens eine Sauerstoff-Sonde (50) erfaßt wird, die hinter dem wenigstens einen Stellmittel (24, 34) angeordnet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zusätzlich ein Drucksensor vor­ gesehen ist, durch den der in dem Ansaugkanal (20) hinter dem wenigstens einen Stellmittel (24, 34) herrschende Druck erfaßt wird.
4. Vorrichtung zur Anreicherung des Sauerstoff- Gehalts in der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors (10), umfassend einen in einem Ansaugkanal (20) des Verbrennungsmotors (10) mündenden, mit Umge­ bungsluft beaufschlagbaren Anreicherungskanal (30), in welchem wenigstens eine vornehmlich für Sauerstoff-Moleküle durchgängige Membran (32) angeordnet ist und wenigstens ein Sensormittel (50, 52) zur Erfassung des Sauerstoff-Gehalts im Ansaugkanal (20), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein geregelt ansteuerbares Stellmittel (24, 34) zur Dosierung der der Ansaugluft beizumi­ schenden Sauerstoff-angereicherten Luft abhängig von dem von dem wenigstens einen Sensormittel (50, 52) erfaßten Sauerstoff-Gehalt vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das wenigstens eine Sensormittel (50, 52) und das wenigstens eine Stellmittel (24, 34) mit einem Steuergerät (40) elektrisch leitend ver­ bunden sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Sensor­ mittel (50, 52) eine Sauerstoff-Sonde (50) umfaßt, die hinter dem wenigstens einen Stellmittel (24, 34) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Sensormittel (50, 52) einen zusätzlichen Drucksen­ sor umfaßt, der hinter dem wenigstens einen Stellmittel (24, 34) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Stellmittel (24, 34) eine die Mündung des Anrei­ cherungskanals (30) verschließende Klappe ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Stellmittel eine in dem Ansaugkanal (20) angeord­ nete Drosselklappe (24) und eine in dem Anreiche­ rungskanal (30) angeordnete Drosselklappe (34) umfaßt.
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