DE19710841A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren, insbesonde­ re von Kraftfahrzeugen, wobei dem Abgas des Verbren­ nungsmotors abhängig von seinem Betriebszustand mittels einer Sekundärluftpumpe Sekundärluft zugeführt wird.
Etwa 80% der Gesamtemission von Kohlenmonoxid (CO) und Kohlenwasserstoffen (HC) eines Verbrennungsmotors werden erfahrungsgemäß während der ersten 120 Sekunden nach einem Kaltstart emittiert. Die Ursache hierfür ist zum einen eine schlechte Gemischaufbereitung im kalten Motor und zum anderen eine mangelhafte Konvertierungs­ rate des noch nicht auf Betriebstemperatur arbeitenden Katalysators. Um diesem Problem zu begegnen, muß daher versucht werden, die Katalysatoranspringzeit, d. h. die Zeit, die vergeht, bis der Katalysator seine Betriebs­ temperatur erreicht, zu verkürzen, da hierdurch eine deutliche Verminderung der Schadstoffemission erzielt werden kann.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß dem Abgas vor dem Katalysator mittels einer Sekundär­ luftpumpe oder eines Sekundärluftgebläses Umgebungsluft zugeführt wird. Ein derartiges Verfahren zur Reduzie­ rung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren und eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens geht beispielsweise aus der DE 41 41 946 A1 hervor. Hierbei wird dem Abgas des Verbrennungsmotors vor dem Katalysator abhängig von deren Betriebszustand mittels der Sekundärluftpumpe Sekundärluft zur Erhöhung der Abgastemperatur zu­ geführt. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß bei einer fetten Warmlaufabstimmung (Kraftstoffüberschuß) für kurze Zeit nach dem Start Luft in das Abgassystem vor dem Katalysator eingeblasen wird. Dieser Luftüber­ schuß führt bei einem ausreichenden Temperaturniveau zu einer HC- und CO-Oxidation im Auspuffsystem und hierdurch zu einer erwünschten höheren Abgastemperatur. Das wärmere Abgas bewirkt nun seinerseits, daß der Katalysator schneller seine Betriebstemperatur er­ reicht.
Ferner sind Verfahren bekannt, die durch Zumischen von reinem Sauerstoff (O2) zur angesaugten Frischluft eine Erhöhung der Abgastemperatur und somit eine Verkürzung der Anspringzeit des Katalysators erreichen.
Ein derartiges Verfahren zur Reduzierung von Schad­ stoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens geht beispielsweise aus der DE 44 04 681 C1 hervor. Hierbei ist vorgesehen, daß eine Sauerstoff(O2)-Anrei­ cherung der Ansaugluft durch eine in einer Kammer angeordnete, nur für Sauerstoff-Moleküle (O2) durch­ gängige Membran erzielt wird.
Problematisch bei einem derartigen Verfahren ist, daß die gesamte Motorsteuerung auf eine O2-angereicherte Ansaugluft abgestimmt werden muß. Es sind aus diesem Grund erhebliche Motorsteuerungseingriffe erforderlich. Letztendlich muß das gesamte Motormanagement eines Verbrennungsmotors geändert werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Ver­ brennungsabgasen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskata­ lysatoren der gattungsgemäßen Art derart weiterzubil­ den, daß bei möglichst einfacher technischer Realisie­ rung eine Verkürzung der Katalysatoranspringzeit und damit eine deutliche Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen ermöglicht wird.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbren­ nungsmotoren mit Katalysator der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sauer­ stoff(O2)-Gehalt der zugeführten Sekundärluft erhöht wird. Durch eine Erhöhung des O2-Gehalts der zugeführ­ ten Sekundärluft, d. h. durch eine O2-Anreicherung des Abgases vor dem Katalysator, werden die Oxidations­ bedingungen vor dem und im Katalysator auf sehr vorteilhafte Weise verbessert, wodurch die Katalysator­ anspringzeit verkürzt und hierdurch eine Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen erzielt wird. Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, daß bei einer Erhöhung des Sauerstoffgehalts der eingeblasenen Luft deren Volumenstrom insgesamt verringert werden kann. Hierdurch wird auch die Abkühlung des Motoren­ abgases verringert, was sich ebenfalls sehr vorteilhaft auf eine verkürzte Anspringzeit des Katalysators auswirkt.
Rein prinzipiell sind die unterschiedlichsten Aus­ führungsformen zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts in der Sekundärluft denkbar.
So kann der Sauerstoff beispielsweise einer in dem Kraftfahrzeug montierten Gasflasche entnommen und der Sekundärluftpumpe zugeführt werden.
In diesem Falle muß eine völlig entleerte Sauerstoff- Druckgasflasche ersetzt oder wieder aufgefüllt werden, was einen nicht unerheblichen technischen und in­ frastrukturellen Aufwand erfordert.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht daher vor, daß die Sekundärluft zur Erhöhung des O2-Gehalts durch eine in einer Kammer angeordnete, nur für Sauerstoffmoleküle durchgängige Membran, ein sogenann­ tes Separationsmodul, geführt wird. Auf diese Weise kann mittels des Separationsmoduls an Bord des Fahr­ zeugs bedarf abhängig kontinuierlich O2-angereicherte Sekundärluft erzeugt und dem Abgas zugeführt werden. Es können daher beispielsweise Sauerstoffdruckgasflaschen o. dgl. vollständig entfallen.
Eine andere, sehr vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, daß die O2-angereicherte Sekun­ därluft nach der Erzeugung in dem Separationsmodul und vor der Beimischung zum Abgas des Verbrennungsmotors zunächst in einem Drucktank zwischengespeichert und abhängig vom Betriebszustand in einem späteren Be­ triebszyklus dem Abgas zugeführt wird. Auf diese Weise kann eine O2-Anreicherung der später dem Abgas zuzufüh­ renden Sekundärluft in Betriebszuständen vorgenommen werden, in denen keine Sekundärlufteinblasung notwendig ist - beispielsweise beim Vollastbetrieb des Fahrzeugs. In späteren Betriebszyklen, beispielsweise bei einem Kaltstart oder in der Warmlaufphase, kann dann die zwi­ schengespeicherte, O2-angereicherte Sekundärluft dem Abgas zugeführt werden.
Die Membran kann beispielsweise aus einer gemischt­ leitenden Keramik bestehen, die ein O2-Partialdruckge­ fälle über der Membran als treibende Kraft erfordert. Es ist deshalb zur Vermeidung eines zusätzlichen Gebläses bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß ein an der Membran erforderliches Partialdruckgefälle durch die Sekundärluftpumpe erzeugt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren, insbesonde­ re von Kraftfahrzeugen, umfassend eine Sekundärluftpum­ pe, durch die dem Abgas des Verbrennungsmotors vor dem Abgaskatalysator abhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors Sekundärluft zuführbar ist.
Diesbezüglich liegt hier die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art zu vermitteln, die mit möglichst geringem technischem Aufwand eine effektivere Reduzierung der Schadstoffe von Verbren­ nungsabgasen ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren der obenbeschriebenen Art erfindungsgemäß Mittel vor­ gesehen, durch welche eine Sauerstoff(O2)-Anreicherung der Sekundärluft möglich ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß diese Mittel wenigstens eine in einer Kammer angeordnete, nur für Sauerstoff-Moleküle durchgängige Membran umfassen (Separationsmodul). Hierdurch kann eine Sauerstoffanreicherung an Bord eines Kraftfahr­ zeugs vorgenommen werden.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß das Separations­ modul der Sekundärluftpumpe nachgeschaltet ist. Auf diese Weise kann der von der Sekundärluftpumpe aufge­ baute Druck zur Erzeugung eines Partialdruckgefälles an der Membran verwendet werden, das beispielsweise bei einer aus gemischtleitender Keramik bestehenden Membran zur O2-Anreicherung erforderlich ist.
Zur Speicherung der O2-angereicherten Luft für spätere Betriebszyklen des Verbrennungsmotors ist dem Separa­ tionsmodul ein Drucktank nachgeschaltet, in dem die O2-angereicherte Luft temporär speicherbar ist.
Zeichnung
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbei­ spiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine teilweise weggebrochene Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzie­ rung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysato­ ren;
Fig. 2 eine teilweise weggebrochene Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzie­ rung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysato­ ren und
Fig. 3 eine teilweise weggebrochene Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzie­ rung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen eines Verbrennungsmotors 10 umfaßt eine Sekundärluftpumpe 20, der mit Sauerstoff angerei­ cherte Umgebungsluft, schematisch dargestellt durch einen mit 22 bezeichneten Pfeil, zugeführt wird. Der Sauerstoff oder die mit Sauerstoff-angereicherte Luft wird dabei beispielsweise einem Druckspeicher (nicht dargestellt) entnommen und über eine Mischvorrichtung der Umgebungsluft beigemischt. Der Sauerstoff wird beispielsweise einem an Bord eines Kraftfahrzeugs (nicht dargestellt) angeordneten Sauerstoffbehälter entnommen, oder er kann an Bord eines Fahrzeugs auf weiter unten noch zu beschreibende Weise erzeugt werden.
Die Steuerung der Einblasmenge erfolgt mittels eines von einer (nicht dargestellten) Motorsteuerung an­ steuerbaren Sekundärventils 30 und wird entsprechend dem Sauerstoff-Anteil der Einblasluft durch die Motor­ steuerung vorgegeben. Hierbei wird jeweils von einem festen Mischungsverhältnis ausgegangen.
Die Sauerstoff-angereicherte Luft wird über einen Kanal 40 dem Abgaskanal 50 der Brennkraftmaschine 10 vor dem Katalysator 52 zugeführt.
Durch Zuführung der Sauerstoff-angereicherten Luft entstehen im Abgaskanal 50 exotherme Reaktionen, die zu einer Aufheizung des Katalysators und daher zu einer Verkürzung der Katalysatoranspringzeit, d. h. der Zeit, die vergeht, bis der Katalysator - beispielsweise bei einem Kaltstart - seine Betriebstemperatur erreicht, führen.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 2, sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich deren Beschreibung auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel voll­ inhaltlich Bezug genommen wird.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Sekundärluftpumpe 20 ein Separationsmodul 70 nach­ geschaltet. Durch dieses Separationsmodul 70, welches eine in einer Kammer angeordnete, nur für Sauerstoff- Moleküle durchgängige Membran, umfaßt, wird die zur Einblasung benötigte Sauerstoff-angereicherte Luft an Bord des Fahrzeugs, und zwar nur während der Ein­ schaltdauer des Sekundärluftgebläses 20 erzeugt. Auf diese Weise wird immer dann, wenn das Sekundärluftge­ bläse eingeschaltet ist, gleichzeitig auch eine Sauerstoff-Anreicherung der Sekundärluft erzielt.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unter­ scheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten Aus­ führungsbeispiel dadurch, daß dem Separationsmodul 70 ein Drucktank 80 nachgeschaltet ist, in dem die durch das Separationsmodul 70 erzeugte, Sauerstoff-angerei­ cherte Sekundärluft zwischengespeichert wird, um einen späteren Betriebszyklus, beispielsweise in der Kalt­ startphase des Verbrennungsmotors, dem Abgas zugeführt werden zu können. Die Sekundärluftpumpe wird hierbei vorteilhafterweise bei Betriebszuständen eingeschaltet, in denen gar keine Sekundärlufteinblasung notwendig ist. Sie kann auch im Dauerbetrieb eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise wird die Sekundärluftpumpe in Betriebszyklen mit Energieüberschuß, z. B. im Schubbe­ trieb oder beim Bremsen des Kraftfahrzeugs, eingeschal­ tet. Hierdurch wird insbesondere ein Kraftstoffmehrver­ brauch zur Erzeugung Sauerstoff-angereicherter Luft vermieden. Die Sekundäreinblasung kann ohne Betrieb der Sekundärluftpumpe gesteuert über das Sekundärluftein­ blasventil 30 vorgenommen werden. Zur Erzeugung der Sauerstoff-angereicherten Einblasluft in dem Separa­ tionsmodul 70 können Membranen unterschiedlicher Art eingesetzt werden.
Beispielsweise können Keramikmembranen aus Zirkondioxid (ZrO2) oder aus Perovskit eingesetzt werden.
Die Gewinnung von Sauerstoff aus der Umgebungsluft erfolgt im Falle von Zirkondioxid-Membranen durch eine an der Membran anliegende Spannungsdifferenz, die durch einen Elektronenstrom über eine äußere leitende Verbindung zwischen den beiden Membranseiten erreicht wird. Über die elektrische Spannung kann in diesem Falle insbesondere ohne zusätzliche mechanische Pumparbeit eine Verdichtung des auf diese Weise gewonnenen Sauerstoffs (O2) erzielt werden. Da sich hierbei auch sehr hohe Drücke (< 1020 bar) über die Spannung einstellen lassen, können zusätzliche Kom­ pressoren zur Füllung des Drucktanks 80 vollständig entfallen.
Bei gemischtleitenden Keramikmembranen, beispielsweise Perovskit-Membranen, dient ein zu erzeugendes Sauer­ stoff-Partialdruckgefälle über der Membran als treiben­ de Kraft. Dieses kann durch die Sekundärluftpumpe 20 erzeugt werden.
Da sowohl Zirkondioxid-Membran als auch gemischt­ leitende Membran für einen ökonomischen Einsatz sinnvolle Permeationsraten erst bei erhöhten Temperatu­ ren (< 400°C) zeigen, wird das Separationsmodul möglichst in der Nähe des Abgaskanals 50 oder im Abgaskanal 50 angeordnet, um so eine Erwärmung der Membran auf einfache Weise zu ermöglichen.
Darüber hinaus kann eine Sauerstoff-Anreicherung mittels Kunststoffmembranen, beispielsweise Polymer- Membranen, erzielt werden. Durch derartige Polymer- Membranen können Sauerstoffgehalte bis zu 40 Vol% erzielt werden. Zum Betrieb von Separationsmodulen 70, die Polymermembranen aufweisen, ist eine mechanische Separationsleistung in Form von Pump- bzw. Kompres­ sionsarbeit zur Erzeugung eines Partialdruckgefälles erforderlich. Diese Pump- und Kompressionsarbeit kann beispielsweise durch eine geeignete Kopplung zwischen einer Pumpe/einem Kompressor und der Bremse durch Ausnutzung der während des Bremsens abzubauenden kinetischen Energie erzeugt werden. Des weiteren kann auch die Sekundärluftpumpe 20 zur Erzeugung des Druckgefälles genutzt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren (10) mit Abgaskatalysatoren (52), insbesondere von Kraftfahrzeugen, wobei dem Abgas des Verbrennungs­ motors (10) abhängig von seinem Betriebszustand mittels einer Sekundärluftpumpe (20) Sekundärluft zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff(O2)-Gehalt der zugeführten Sekundärluft erhöht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft zur Erhöhung des O2-Gehalts durch eine in einer Kammer anzuordnende, nur für Sauerstoffmoleküle durchgängige Membran (Separa­ tionsmodul 70) geführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die O2-angereicherte Sekundärluft vor der Beimischung zum Abgas des Verbrennungs­ motors (10) zunächst in einem Drucktank (80) zwischengespeichert und dem Abgas abhängig vom Betriebszustand in einem späteren Betriebszyklus zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein an der Membran erforderliches Partialdruckgefälle durch die Sekundärluftpumpe (20) erzeugt wird.
5. Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren (10) mit Abgaskatalysatoren (52), insbesondere von Kraftfahrzeugen, umfassend eine Sekundärluftpumpe (20), durch die dem Abgas des Verbrennungsmotors (10) vor dem Katalysator (52) abhängig vom Be­ triebszustand des Verbrennungsmotors (10) Sekun­ därluft zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche eine Sauer­ stoff(O2)-Anreicherung der Sekundärluft ermögli­ chen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mittel wenigstens eine in einer Kammer angeordnete, nur für Sauerstoffmoleküle durchgängige Membran umfassen (Separationsmodul 70).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Separationsmodul (70) der Sekundärluftpumpe (20) nachgeschaltet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Separationsmodul (70) ein Drucktank (80) nachgeschaltet ist, in dem die das O2-angereicherte Sekundärluft temporär speicherbar ist.
DE19710841A 1997-03-15 1997-03-15 Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren Ceased DE19710841A1 (de)

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