DE19829892A1

DE19829892A1 - Minderung des Schadstoffausstosses bei Defekten im Verbrennungs- oder Abgasnachbehandlungssystem von Kraftfahrzeugen

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Publication number: DE19829892A1
Application number: DE1998129892
Authority: DE
Original assignee: WWU WISSENSCHAFTLICHE WERKSTAT
Current assignee: WWU WISSENSCHAFTLICHE WERKSTAT
Priority date: 1998-07-05
Filing date: 1998-07-05
Publication date: 2000-01-20
Anticipated expiration: 2018-07-06
Also published as: DE19829892C2

Abstract

Für die Minderung des Schadstoffausstoßes im Falle einer erhöhten Emission in Kraftfahrzeugen wird ein Adsorptionssystem vorgeschlagen. Dieses System wird sowohl in der Kaltstartphase als auch im Falle motorischer oder abgasnachbehandlungstechnischer Fehler in den Abgasweg eingeschaltet. In der Adsorptionsmasse werden die Schadstoffe zurückgehalten. Nach Behebung der Fehler wird die erschöpfte Adsorptionsmasse mit Hilfe von Temperaturerhöhung oder Unterdruck regeneriert. Die desorbierten Abgasbestandteile werden in den Verbrennungsraum zurückgeführt und dort weitestgehend abgebaut, s. Fig. 2. Das Adsorptionssystem kann sowohl im Otto- als auch im Diesel-Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Die erschöpften und nicht mehr regenerierbaren Adsorptionsmassen müssen an geeigneten Orten, so an Tankstellen, gesammelt und einer weiteren Verwertung zugeführt werden.

Description

1. Beschreibung der Zielstellung der Anmeldung

Die Zulassung von Kraftfahrzeugen erfolgt nach eingehender Prüfung aller wichtigen verkehrs- und abgasrelevanten Kenngrößen in einem umfangreichen Verfahren. So werden Kraftfahrzeuge auf Rollenprüfständen unter definierten Bedingungen getestet. Dabei wird u. a. die Emission von limitierten Schadstoffen gemessen. Eine Zulassung erfolgt dann, wenn die gemessenen Werte unterhalb der gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte liegen.

Zwar versuchen die einzelnen, in den verschiedenen Ländern nach den jeweiligen Gegebenheiten und Verhalten ausgerichteten Fahrtzyklen, die für die Zulassungsverfahren auf den Rollenprüfständen vorgeschrieben sind, die spätere, tägliche Praxis zu modellieren, jedoch weichen die Fahrten im Alltag mehr oder weniger stark von den modellhaften Fahrtzyklen auf dem Rollenprüfstand ab.

Für die Bestimmung des Zustandes sowohl des Verbrennungs- als auch des Abgasnachbehandlungssystems werden in den modernen Kraftfahrzeugen diagnostische Kontrollsysteme verwendet. Bei diesen diagnostischen Prüfmethoden wird mit Hilfe einer Vielzahl von Meßwertaufnehmern der Zustand des Kraftfahrzeuges erfaßt. Werden dabei Abweichungen zu den gespeicherten Kennfeldern und Grenzwerten festgestellt, so erfolgt eine Warnmeldung. Der Fahrer wird aufgefordert, eine Werkstatt aufzusuchen und den gemeldeten und gespeicherten Fehler beheben zu lassen. Die Warnmeldung erlöscht nur bei der Reparatur des Fehlers, z. B. beim Austausch des defekten Bauteils /1/. Durch die Örtlichen, objektiven Gegebenheiten und auch durch subjektive Bedingungen kann es jedoch zu Verzögerungen der Reparatur kommen, was zu einer bedeutenden Belastung der Umwelt führen kann.

Das Ziel dieser Anmeldung ist, ein solches Verfahren zu beschreiben, das es erlaubt, in Fällen erhöhter Emissionswerte im Abgas Maßnahmen zu ergreifen, die dazu führen, daß der Schadstoffausstoß bis zum Beheben des Fehlers auf ein Minimum reduziert wird. Bei der ständigen Zunahme der Anzahl von Kraftfahrzeugen auf der ganzen Welt scheint dieser Weg einen richtigen Lösungsansatz darzustellen, um die Umwelt vor den schweren Auswirkungen der Schadstoffanreicherung zu schützen.

2. Stand der Technik

Für die Emissionsminderung in der Kaltstartphase sind bereits Methoden bekannt, die es ermöglichen, die in dieser Phase auftretenden, hohen Konzentrationswerte zu mindern. Dazu zählen u. a. Adsorptionsfallen, die mit Aktivkohle oder Zeolith gefüllt bzw. beschichtet sind. Das Abgas wird während der Kaltstartphase durch diese Falle geführt. Hier werden die hohen Emissionsspitzen durch Adsorption aufgefangen. Nachdem der Motor und auch der Katalysator warm geworden sind, führt man die durch Desorption freigesetzten Schadstoffe in den Katalysator oder in den Verbrennungsraum zurück, /2,3,4 und 5/.

Es gibt zur Zeit allerdings kein Verfahren, das es ermöglicht, die Schadstoffkonzentration im Abgas nicht nur in der Kaltstartphase, sondern auch in Krisensituationen, also wenn das bordeigene Diagnose oder Meßsystem einen Fehler im Verbrennungs- oder Abgasnachbehandlungssystem meldet, zu mindern. In solchen Fällen ist es dem Fahrer und den äußeren Umständen überlassen, wie schnell er eine entsprechende Fachwerkstatt aufsuchen kann. So lange, bis diese Maßnahme nicht durchgeführt wird, stößt der Wagen hohe Konzentrationen an Schadstoffen in die Umwelt aus.

3. Ausführliche Beschreibung des Vorschlages zur Minderung der Emissionen

Zur Minderung von erhöhten Schadstoffkonzentrationen im Falle von Defekten im Verbrennungs- oder im Abgasnachbehandlungssystem des Kraftfahrzeuges muß eine Adsorptionsfalle im Abgasweg untergebracht sein. Zusätzlich ist ein Meßgerät notwendig, das in der Lage ist, die Konzentration an Schadstoffen zu erfassen und bei Bedarf die Adsorptionsfalle in den Abgasweg zu schalten, s. Fig. 1.

Das Abgas strömt im normalen Betrieb ungehindert durch das Abgasrohr ins Freie. Treten jedoch Probleme im Verbrennungs- 1 oder im Abgasnachbehandlungs system 2 auf, s. Fig. 2, so meldet das On-Board-Überwachungssystem 3 (OBD- oder OBM-System) /6/ nicht nur dem Fahrer einen Fehler, sondern schaltet auch den Abgasstrom durch ein Ventil 4 um. Nach dieser Maßnahme strömt das Abgas nicht ungehindert ins Freie, sondern wird durch ein Adsorptionssystem mit Adsorptionsfalle 5 geleitet.

Das Adsorptionssystem kann aus einer oder aus zwei Adsorptionsfallen im Wechselbetrieb 6 bestehen, s. Fig. 3. Bei einem Fehler im Verbrennungssystem wird das Abgas durch eine Adsorptionsfalle geleitet, bis der Fehler behoben ist. Bei einem Defekt im Abgasnachbehandlungssystem können zwei Adsorptionsfallen abwechselnd geschaltet werden, wobei die desorbierten Schadstoffe in konzentrierter Form in den Verbrennungsraum des einwandfrei funktionierenden Motors zurückgeführt und dort weitestgehend abgebaut werden.

Eine Adsorptionsfalle besteht aus mindestens einer, aber vorteilhafterweise aus mehreren chemischen Substanzen, die nicht nur die Kohlenwasserstoffe, sondern auch die CO- und NO-Moleküle durch eine entsprechende Adsorption zurückhalten. Solch eine Mischung kann z. B. aus Aktivkohle, aus Braunerde, auch Hopkalit genannt, und aus verschiedenen Zeolithmassen bestehen.

Ist der Defekt im Verbrennungs- oder im Abgasnachbehandlungssystem behoben worden, kann die Adsorptionsfalle regeneriert werden. Die Desorption wird durch Erhöhung der Temperatur mittels eines Heizungssystems 7 oder Herabsetzung des Druckes durch ein Vakuumsystem 8 erreicht. Die Schadstoffe werden dabei in den Verbrennungsraum (unter Beimengung von Sekundärluft) zurückgeführt und dort abgebaut. Das Wechseln bei verbrauchter und nicht mehr regenerierbarer Adsorptionsmasse wird einfach und mit modularer Technik vorgenommen. Der Vorgang erfolgt vergleichbar zu dem heutigen Ölfilterwechsel. Die Aufbereitung der endgültig verbrauchten Adsorptionsmassen sollte organisiert erfolgen. Adsorptionsschüttgut kann ähnlich entsorgt werden wie heute z. B. das Altöl. Die weitere Verwertung der gesammelten Adsorptionsmassen kann nach dem jeweiligen Stand der Technik erfolgen.

Verzeichnis der Figuren

Fig. 1 Ablauf einer Emissionsminderungsmaßnahme.

Fig. 2 Prinzipielle Anordnung des Adsorptionssystems mit einer Adsorptionsfalle im Abgasweg eines Kraftfahrzeuges.
1 Verbrennungssystem
2 Abgasnachbehandlungssystem
3 On-Board-Überwachungssystem
4 Ventil
5 Adsorptionsfalle

Fig. 3 Adsorptionssystem mit zwei Adsorptionsfallen.
6 zwei Adsorptionsfallen im Wechselbetrieb
7 Heizungssystem
8 Vakuumsystem

Literaturverzeichnis

/1/ Maßnahmen gegen die Verunreinigung der Luft durch Emissionen von Kraftfahrzeugen und zur Änderung der Richtlinien 70/156/EWG und 70/220/EWG des Rates. Europäisches Parlament, Sitzungsdokumente. 24. März 1997.
/2/ Schäfer, F., van Basshuysen, R.: Schadstoffreduzierung und Kraftstoffverbrauch von Pkw-Verbrennungsmotoren. Springer-Verlag, Wien, New York 1993. ISBN 3-211-82485-5.
/3/ Klingenberg, H.: Automobil-Meßtechnik, Band C: Abgasmeßtechnik. Springer-Verlag. Berlin-Heidelberg-New York 1995, ISBN 3-540-59108-7.
/4/ Abgase entsticken: Daimler-Benz Umweltbericht 1996, S. 29.
/5/ Lenz, H. P.: Gemischbildung bei Ottomotoren. Springer-Verlag, Wien, New York 1990. ISBN 3-211-82193-7.
/6/ Patentanmeldung 198 26 179.9: Kontrolle des Verbrennungsvorganges und der Abgasnachbehandlung in Zero-Emission-Kraftfahrzeugen.

Claims

1. Adsorptionssystem, geeignet für die zeitlich befristete Minderung der Schad stoffemission durch die adsorptive Zurückhaltung der einzelnen Komponenten im Falle erhöhter Emissionswerte, hervorgerufen durch Fehler oder Defekte im motorischen oder abgasnachbehandlungstechnischen Bereich oder durch den Kaltstartvorgang im Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechende Adsorptionsmassen je nach Bedarf in den Abgasweg geschaltet werden.

2. Adsorptionssystem nach Hauptanspruchspunkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorptionsmassen je nach Motorart, Fahrzeugtyp und Leistung sowohl qualitativ als auch quantitativ unterschiedlich, aus mehreren, verschiedenartig dosierten Stoffen zusammengestellt sowie, je nach Bedarf, in einem oder mehreren Behältern untergebracht und als Adsorptionsfallen ins Kraftfahrzeug eingebaut werden können.

3. Adsorptionssystem nach Hauptanspruchspunkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sowohl für den Einsatz in verschiedenen Otto, als auch in Diesel-Kraftfahrzeugen geeignet ist, wobei für die Zurückhaltung von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxidmolekülen und Stickstoffmonoxid molekülen hauptsächlich Aktivkohle, Hopkalit und Zeolithe verwendet werden, jedoch auch andere Substanzen, je nach Aufgabe, gewählt werden können.

4. Adsorptionssystem, dadurch gekennzeichnet, das es im Gasweg nach dem Katalysator angeordnet ist und zwischen freiem Abgasweg und Adsorptionssystem, je nach Bedarf, umgeschaltet werden kann.

5. Adsorptionssystem, dadurch gekennzeichnet, das die Desorption mit Hilfe von Heizungs-, Vakuum- oder anderen geeigneten Systemen erfolgt und die Rückführung der dabei freiwerdenden Schadstoffe in das Verbrennungssystem erfolgt, wobei die Schadstoffe weitestgehend abgebaut werden.

6. Adsorptionssystem, dadurch gekennzeichnet, das die Adsorptionsbehälter gut erreichbar und leicht ausbaubar im Kraftfahrzeug untergebracht sind, so das die verbrauchten Adsorptionsmassen z. B. an Tankstellen gewechselt und einer weiteren Verwertung zugeführt werden können.