DE19829892C2 - System zur Minderung des Schadstoffausstoßes bei On-Board erfassten Defekten im Abgasnachbehandlungssystem von Kraftfahrzeugen - Google Patents

System zur Minderung des Schadstoffausstoßes bei On-Board erfassten Defekten im Abgasnachbehandlungssystem von Kraftfahrzeugen

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Abstract

Im Falle erhöhten Emission in Kraftfahrzeugen hinter dem Katalysator, erfasst durch ein OBD- oder ein OBM-System, wird für die Minderung des Schadstoffausstoßes ein Adsorptionssystem vorgeschlagen. DOLLAR A Dieses System wird im Falle erhöhter Konzentrationswerte an Schadstoffen, hervorgerufen durch abgasnachbehandlungstechnische Fehler im Katalysator, in den Abgasweg eingeschaltet. In solchen Fällen strömt das Abgas durch ein adsorptives Schüttgut, das aus mindestens zwei Substanzen zusammengestellt wird. In dieser Adsorptionsmasse werden die wichtigstens abgasrelevanten Schadstoffe zurückgehalten. DOLLAR A Die herannahende Erschöpfung der Adsorptionsmasse wird durch die meßtechnische Erfassung des Durchbruchsverhaltens der Schadgase durch ein am Ausgang des Adsorptionsbehälters platziertes Messgerät gemeldet. In diesem Falle wird das Abgas in einen weiteren Adsorptionsbehälter umgeleitet. Die erschöpfte Adsorptionsmasse im ersten Behälter wird mit Hilfe von erhöhter Temperatur und/oder Unterdruck regeneriert. Die desorbierten Abgasbestandteile werden in den Verbrennungsraum zurückgeführt und hier zu den entsprechenden Endprodukten umgewandelt. DOLLAR A Die Adsorptionsbehälter können sowohl im Otto- als auch im Dieselkraftfahrzeug eingesetzt werden, s. Fig.2. Die erschöpften und nicht mehr regenerierbaren Adsorptionsmassen müssen an geeigneten Orten, so an Tankstellen gesammelt und der weiteren Verwertung zugeleitet werden.

Description

1. Problemdarstellung
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 Anomalien zwischen den gemessenen Daten und den gespeicherten Kennfeldern mit Grenzwerten festgestellt, so erfolgt eine Warnmeldung. Der/die Fahrer/-in wird aufgefordert, eine Werkstatt aufzusuchen und den gemeldeten und gespeicherten Fehler beheben zu lassen. Die Warnmeldung erlischt nur bei der Behebung des Fehlers, meist beim Austausch des defekten Bauteils /1/. Bei einer Fehlermeldung muss der/die Fahrer/-in versuchen, eine Fachwerkstatt aufzusuchen. Durch die örtlichen objektiven Gegebenheiten und auch durch subjektive Bedingungen kann es jedoch zu Verzögerungen kommen, die zu einer bedeutenden Belastung der Umwelt führen können.
Das Ziel dieser Anmeldung ist, ein Verfahren zu beschreiben, das es erlaubt, in Fällen erhöhter Emissionswerte hinter dem Katalysator im Abgas Maßnahmen zu ergreifen, die dazu führen, dass der Schadstoffausstoß bis zum Beheben des Fehlers auf ein Mindestmaß reduziert wird. Bei der ständigen Zunahme der Anzahl von Kraftfahrzeugen auf der ganzen Welt scheint dieser Weg einen richtigen Lösungsansatz darzustellen, um die Umwelt von den schweren Auswirkungen der Schadstoffanreicherung zu schützen.
2. Stand der Technik
Für die Minderung 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 gefüllt sind /2/. Das Abgas wird während der Kaltstartphase durch diese Falle geführt. Hier werden die hohen Kohlenwasserstoffspitzen (T-HC) durch Adsorption aufgefangen. Nachdem der Motor und auch der Katalysator warm geworden sind, führt man die durch Desorption freigesetzten Schadstoffe in den Verbrennungsraum zurück, wo sie wieder zu Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O) verbrannt werden. Diese Methode ist allerdings nur beim Otto-Motor verwendbar /3/.
Beim Diesel-Kraftfahrzeug gibt es eine ähnliche Methode. Bei der "Selektiven NOx- Rückführung mit innermotorischer, nicht katalytischer NOx-Reduktion" (NSR) benutzt man eine aus Zeolithen bestehende Adsorptionsmasse, um die hohe Konzentration an Stickstoffmonoxid (NO) hier zurückzuhalten /4/. Der Mechanismus ist ähnlich wie beim Otto-Motor. Durch eine Desorptionsphase werden die adsorbierten NO-Molekühle zu einem späteren Zeitpunkt erneut in den Verbrennungsraum eingebracht und hier zu den Endprodukten, wie Stickstoff (N2) umgewandelt /5/.
In Gebrauchsmuster G 90 03 204.7 wird eine Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Fahrzeugmotoren beschrieben, die aus einem Konverter sowie einem, dem Konverter vorgeschalteten Emissionspuffer besteht.
In Patentschrift DE 43 19 294 C1 wird ein Verfahren zur Reduzierung der Stickoxide in den Abgasen einer Brennkraftmaschine durch Adsorption der Stickoxide in einem Adsorber sowie zeitlich nachfolgender Desorption mittels eines heißen Gases und Reagieren der Stickoxide zu Stickstoff und Sauerstoff dargestellt. Um hierbei auf Reduktionsmittel verzichten zu können, werden die Stickoxide in die Ansaugluft der Brennkraftmaschine zurückgeführt, mit der sie in die Brennräume gelangen, wo sie aufgrund der herrschenden Reaktionsbedingungen zu Stickstoff und Sauerstoff reagieren.
In Patentschrift 1 DE 195 39 728 A1 wird ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor beschrieben. Dieses System besteht aus einem Hauptkatalysatorumwandler und einem Kohlenwasserstoffadsorber mit einer Zeolithbeschichtung zur Kohlenwasserstoffadsorption.
In der Patentschrift DE 43 28 125 A1 wird eine Abgasreinigungsvorrichtung dargestellt, die durch Adsorptionsschichten Kohlenwasserstoffe aus dem Abgas filtert.
Es scheint zur Zeit kein Verfahren zu geben, das es ermöglicht, die Schadstoffkonzentration im Abgas nicht nur in der Kaltstartphase, sondern auch in Krisensituationen, also wenn das OBD/OBM-Abgasmesssystem einen Fehler im r Abgasnachbehandlungssystem meldet, zu mindern. In solchen Fällen können keine sofortigen Maßnahmen getroffen werden, weil dem Fahrer nicht signalisiert wird, dass der Wagen hohe Konzentrationen an Schadstoffen ausstößt. 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.
In der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es heißt in: Fig. 1 Beispielhafter Ablaufplan einer Emissions-Minderungsmaßnahme, dargestellt anhand des Kohlenwasserstoffausstoßes
Fig. 2 Unterbringung der Adsorptionsbehälter im Abgasweg
1 Motor
2 Unterboden des Kraftfahrzeuges
3 Kfz-Reifen
4 Motornaher Katalysator
5 Hauptkatalysator
6 Schalldämpfer
7 Umschaltventil
8 Adsorptionsbehälter Nr. 1
9 Adsorptionsbehälter Nr. 2
10 Auspuffrohr
11 Messstelle Nr. 1
12 Messstelle Nr. 2
13 Messstelle Nr. 3
Fig. 3 Beispiel für die Ausbildung des Adsorptionsbehälters
14 Mantelfläche des Behälters
15 Flansch mit Schnellverschluss
16 Trennwand
17 Adsorptionsmasse Nr. 1
18 Adsorptionsmasse Nr. 2
19 Adsorptionsmasse Nr. 3
Fig. 4 Funktionsprinzip des Adsorptionssystems
20 Abgasstrom
21 Messgasstrom zum Messinstrument vor dem Adsorptionssystem
22 Messgasstrom zum Messinstrument nach dem 1. Adsorptionsbehälter
23 Messgasstrom zum Messinstrument nach dem 2. Adsorptionsbehälter
24 Heizungselement
25 Vakuumpumpe
Fig. 5 Mögliche Konstruktion für Kraftfahrzeuge mit Diesel- oder Magermotor
26 Adsorptionsfalle für die geringe Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid- Emission
27 Adsorptionsfalle für die anteilmäßig hohe Stickoxidemission
28 Behandeltes Abgas
3. Ausführliche Beschreibung des Vorschlages zur Minderung der Emission
Zur Minderung der Schadstoffkonzentration im Falle von Defekten im Abgasnachbehandlungssystem des Kraftfahrzeuges muss ein Messgerät im Abgasweg untergebracht sein, das in der Lage ist, die Konzentration an Schadstoffen zu erfassen. Dieses System muss allerdings nicht ständig im Betrieb sein, sondern vom Motormanagement aus soll es abschnittsweise, zu gewählten Zeitpunkten ein- und wieder ausgeschaltet werden, s. Fig. 1.
Das Abgas strömt im normalen Betrieb ungehindert durch das Abgasrohr ins Freie. Treten jedoch erhöhte Konzentrationswerte an Schadstoffen hinter dem Katalysator durch Probleme im Abgasnachbehandlungssystem auf, so meldet das On-Board- Überwachungssystem (OBD und/oder OBM-System) /6/ nicht nur einen Fehler dem Fahrer, sondern schaltet den Abgasstrom durch ein Magnetventil um. Nach dieser Maßnahme strömt das Abgas nicht ungehindert ins Freie, sondern wird durch ein Adsorptionssystem geleitet, s. Fig. 2.
Die 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 für die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, aus Braunerde, auch Hopkalit genannt, für Kohlenmonoxid, und aus verschiedenen Zeolithmassen für Stickstoffmonoxid bestehen, s. Fig. 3.
Es ist wichtig, dass mindestens zwei Adsorptionsfallen im Abgasweg installiert werden, weil sie im Wechselstromverfahren betrieben werden müssen, s. Fig. 4. Wenn die erste Falle gesättigt ist, muss diese Falle aus dem Betrieb genommen werden und das Abgas wird umgeschaltet. Nun strömt das Abgas durch die zweite Falle und die erste Falle wird durch einen Desorptionsvorgang regeneriert. Diese Regeneration kann durch Erhöhung der Temperatur und/oder durch Herabsetzung des Druckes erreicht werden. Die erste Maßnahme kann z. B. durch ein Heizungselement, die zweite durch eine Vakuumpumpe problemlos verwirklicht werden. Es empfiehlt sich, die Ausgangskonzentration des behandelten Abgases aus der Adsorptionsfalle mit einem Messgerät zu beobachten, um die Durchbruchskurve aus dem Schüttgut zum rechtem Zeitpunkt bestimmen zu können. Damit werden verspätete Umschaltmaßnahmen vermieden.
Die Adsorptionsfallen müssen nach dem jeweiligen Fahrzeugtyp entsprechend ausgewählt und mengenmäßig strukturiert werden. Für den Ottomotor müssen die Massenverhältnisse in Richtung mehr Aktivkohle und weniger Zeolithe verschoben sein. Im Dieselmotor ist mehr Zeolithmasse als Aktivkohle oder Hopkalit erforderlich, s. Fig. 5. In diesem Falle ist sogar die Kopplung von aktiven Entstickungsmaßnahmen, wie bei der SCR-Technik (selektiver kathalytischer Reduktion durch Einbringen von fremden Substanzen, z. B. Harnstoff in den Abgasstrom), und des in dieser Anmeldung beschriebenen Adsorptionsverfahrens vorteilhaft. Die SCR-Technik ist im Dieselkraftfahrzeug, Kennfeld gesteuert, ständig im Betrieb. Die zusätzliche Entstickung durch Adsorption wird nur kurzzeitig, für den Fall eines erhöhten Schadstoffausstoßes durch besondere Umstände, in Betrieb genommen.
Das Wechseln bei verbrauchter und nicht mehr regenerierbarer Adsorptionsmasse muss einfach und mit modularer Technik vorgenommen werden. Der Vorgang muss vergleichbar zu dem heutigen Ölfilterwechseln erfolgen. Dazu eignen sich Bajonett- oder ähnliche Schnellverschlüsse. Das Wechseln von Adsorptionspatronen muss so einfach erfolgen, dass man diesen Vorgang an den Tankstellen auch allein, ohne fachmännische Hilfe durchführen kann.
Die Aufbereitung der endgültig verbrauchten Adsorptionsmassen muss organisiert erfolgen. Dazu müssen Sammelorte an den Tankstellen eingerichtet werden. Das Adsorptionsschüttgut muss ähnlich entsorgt werden wie heute z. B. das Altöl, d. h. in geschlossener Form. Die weitere Verwertung der gesammelten Adsorptionsmassen kann nach dem jeweiligen Stand der Technik erfolgen.
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
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/3/ Klingenberg, H.: Automobil-Messtechnik, Band C: Abgasmesstechnik. Springer- Verlag. Berlin-Heidelberg-New York
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, 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
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. ISBN 3-211-82193-7
/6/ Patentanmeldung 198 26 179.9: Kontrolle des Verbrennungsvorganges und der Abgasnachbehandlung in Zero-Emission-Kraftfahrzeugen

Claims (9)

1. System zur Minderung von erhöhten der Schadstoffkonzentrationswerten, welche vom On-Board-Überwachungssystem entweder auf diagnostischem (OBD) oder messtechnischem Wege (OBM) erfasst werden und die durch Defekte im Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeuges entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasweg sich eine Meßstelle für die Erfassung der Konzentration von Schadstoffen hinter dem Katalysator befindet, sowie ein Umschaltventil für die Lenkung des Gasstromes, zwei Adsorptionsbehälter für die Zurückhaltung der Schadstoffe sowie je eine weitere Messtelle hinter den Adsorptionsbehältern für die Bestimmung des Durchbruchverhaltens der einzelnen Schadgaskomponenten im Abgasnachbehandlungssystem untergebracht werden und die Konzentration von Schadstoffen an den Messstellen in gewissen Zeitabschnitten erfasst und ausgewertet werden.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung des den Abgasstrom lenkenden Dreiwegeventils durch die analytisch erfassten Konzentrationswerten an den Meßstellen hinter den Adsorptionsbehältern erfolgt.
3. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeneration der Adsorptionsmassen anhand der hinter den Adsorptionsfallen analytisch gemessenen Schadstoffkonzentrationen durch die Ermittlung des herannahenden Durchbruchs der gemessenen Schadgasen erfolgt.
4. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung des Ad- und Desorptionsbetriebes durch die messtechnische Erfassung der Kohlenwasserstoffkonzentration HC, der Kohlenmonoxidkonzentration CO und der Stickstoffmonoxidkonzentration NO im Abgasstrom hinter den Adsorptionsbehältern geschieht.
5. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterbringung der Adsorptionsbehälter im Abgasweg mit Schnellschlussverbindungen erfolgt.
6. System einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter an Tankstellen gewechselt werden
7. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter von Fachpersonal an den Tankstellen oder vom Fahrer selbst getauscht werden.
8. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültig erschöpften Adsorbentien der weiteren Verwertung zugeführt werden.
9. System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die endgültig erschöpften Adsorbentien der endgültigen Entsorgung zugeführt werden.
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