DE2247016A1

DE2247016A1 - Verfahren fuer die bemessung von zusatzbrennstoff zur erzielung optimaler nachverbrennung der auspuffgase von brennkraftmaschinen und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2247016A1
Application number: DE19722247016
Authority: DE
Inventors: Guenter Haertel
Original assignee: Deutsche Vergaser GmbH and Co KG
Current assignee: Deutsche Vergaser GmbH and Co KG
Priority date: 1972-09-25
Filing date: 1972-09-25
Publication date: 1974-03-28
Also published as: DE2247016B2

Description

Verfahren für die Bemessung von Zusatzbrennstoff zur Erzielung optimaler Nachverbrennung der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Bemessung von Zusatzbrennstoff zur Erzielung optimaler Nachverbrennung der Auspuffgase von Brennkraftmaschinen und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Es hat sich als notwendig erwiesen, zum Schutz der Umwelt die im Auspuffgas von Brennkraftmaschinen enthaltenen Schadstoffe, wie Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffe(C H xy und. Stickoxide (NO ) durch geeignete MaAnahmen in unschädx liche chemische Verbindungen umzuwandeln.
Es werden zum Beispiel dem Auspuffsystem nachgeschaltete thermisch oder katalytisch wirkende Einrichtungen verwendet, die die bereits entstandenen Schadstoffe in andere Stoffe umwandeln Die hierbei zur Anwendung kommenden thermischen und katalytischen Reaktoren sind jedoch mit grundsätzlichen Mängeln behaftet, die einerseits ihr Anwendungsgebiet einschränken und andererseits die Effektivität der Schadstoffbeseitigung einengen.
Bei den thermischen Reaktoren muß z.B. eine hohe Brennrohr-Mindesttemperatur eingehalten werden, die erst einige Zeit nach dem Inbetriebsetzen der Brennkraftmaxhine erreicht ist.
Außerdem ist die Wirksamkeit der thermischen Reaktoren sehr stark von der Haltung einer stabilen Flamme abhängig.
Die katalytischen Reaktoren arbeiten im allgemeinen bei Xindesttemperaturen, die unter denen der thermischen Reaktoren liegen. Sie können in zwei Kategorien eingeteilt werden.
Als Reduktionskatalysatoren dienen sie zur Verminderung der Stickoxide und des Kohlenmonoxids. Dabei soll der Partialdruck des Kohlenmonoxids relativ groß sein, was durch einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Luft-Brennstoffverhältnis x < 1 erreicht wird. Das Luft-Brennstoffverhältnis k errechnet sich aus dem Quotienten des effektiv durchgesetzten Mengenverhältnisses von Luft zu Brennstoff und dem sich aufgrund chemischer Reaktionsgleichungen für eine vollkommene Verbrennung ergebenden brennstoffspezifischen Mindestluftbedarf pro Mengeneinheit des Brennstoffs.
Werte t < 1 zeigen daher einen Betrieb mit Luftmangel, Werte X > 1 zeigen einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit Luftüberschuss an.
Als Oxydationskatalysatoren dienen die katalytischen Reaktoren zur Oxydation von CO und Cs Hy, was durch einen Betrieb der Brennkraftmaschine mit Luftüberschuss, d.h. mit einem Luft-Brennstoffverhältnis @ >1 erreicht wird.
Ii Regelfall kommen zwei katalytische Reaktoren in Reihenschaltung zum Einsatz. Der erste Reaktor enthält einen Reduktionskatalysator, der unter anderem bewirkt, daß das durch CO reduziert wird. Anschließend durchströmt das Abgas unter Beigabe von Zusatzluft den nachgeschalteten zweiten Reaktor, der einen Oxydationskatalysator enthält. Hier wird das noch vorhandene Kohlenmonoxid mit Sauerstoff zu Kohlendioxid oxydiert, während die Kohlenwasserstoffe mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser oxydieren.
Abgesehen davon, daß im Regelfall zwei katalytische Reaktoren benötigt werden, ist auch eine besondere Luftpumpe für die Beigabe der Zusatzluft erforderlich.
Sofern es jedoch gelingt,einen katalytischen Reaktor mit einem nahezu konstanten Sauerstoffpartialdruck entsprechend einem Luft-Brennstoffverhältnis # = 1,0 zu betr@iben, könnte ein sog. Einbett-Katalysator Verwendung finden. Ein zweiter Reaktor wäre dann nicht nötig. Bisher ist es jedoch nicht gelungen, dieses eng tolerierte Brennstoff-Luftverhältnis in allen Betriebszuständen einer Brenn!craftmaschine einzuhalten.
Es ist gemäß der DT-OS 2 130 436 bereits ein Verfahren bekannt, bei dem zwecks restloser Verbrennung schädlicher Abgasbestandteile dem Abgasstrom in Abhängigkeit von der Jleweiligen Reaktortemperatur zusätzlich Brennstoff zugeführt wird. Hierbei kommt es allerdings nicht auf die Einhaltung eines eng tolerierten Luft-Brennstoffverhältnisses, sondern auf die Erhaltung einer zwischen 385°C und 399 0C liegenden Brennraumtemperatur an.
Die Brennraumtemperatur wird daher durch einen Temperaturfühler überwacht, der als Teil eines Reglers für den Zusatzbrennstoff dient. Das bekannte Verfahren und die zugehörigen Einrichtungen dienen in erster Linie dazu, feste Abgasbestandteile, wie z.B. Ruß, zu verbrennen Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen bewirken nicht eine Nachverbrennung der Auspuffgase ausschließlich im Bereich des günstigsten Luft-BrennstoffverhältnissesO Sie bewirken daher auch nicht die optimale Umwandlung der Schadstoffe.
Gemäß der Hauptanmeldung ( Patentanmeldung P 22 43 266.2) wurde bereits vorgeschlagen, die Umwandlung der in den Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine enthaltenen Schadstoffe in andere Stoffe in optimalem Ausmaß ausschließlich im Bereich des günstigsten Luft-Brennstoffverhältnisses dadurch zu bewirken, daß die Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Sauerstoffgehalt oder Kohlenmonoxidgehalt des Auspuffgases im Gebiet zwischen Brennkraftmaschine und Reaktor in bekannter Weise mittels eines Sensors kontinuierlich gemessen werden, die Meßwerte

als oflen

einer selbsttätigen Regeleinrichtung eingegeben werden, die ihrerseits mittels eines Brennstoffregelventils die Menge des Zusatzbrennstoffs so regelt, daß am Meßort eine Auspuffgaszusammensetzung vorhanden ist, die in engen Toleranzen von + o,5 % einem Luft@Brennstoffverhältnis # = 1,0 entspricht.
Da an der Stelle, an der der Zusatzbrennstoff zugeführt wird, je nach der Belastung der Brennkraftmaschine unterschiedliche Drücke herrschen, wurde vorgeschlagen, daß der Druck oder die Menge des dem Brennstoffregelventil zufließenden Brennstoffs durch ein besonderes Brennstoffdruck- bzw. Durchflußregelventil je nach der Größe der Belastung der Brennkraftmaschine geregelt ist. Das geschieht in Abhängigkeit vom Druck auf der Saugseite ( Saugrohrdruck) undsoder vom Druck auf der Auspuffseite (Auspuffgasgegendruck).
Zur Durchführung des Verfahrens wurde gemäß der Hauptanmeldung vorgeschlagen, daß als Sensor zur Messung des Sauerstoffgehaltes oder Kohlenmonoxidgehalt des Auspuffgasses ein Meßwertaufnehmer mit einer platinbeschichteten Wandung aus Zirkonoxyd so angeordnet ist, daß die Wandung auf der einen Seite mit dem zu messenden Auspuffgas und auf der anderen Seite mit der Atmosphäre in Berührung ist.
Zweckmäßig besitzt das Brennstoffdruck- bzw. Durchflußregelventil in bekannter Weise eine BrennstoffdUse, in der ein verschieblich gelagerter Dosierkegel den freien Durchtrittsqucre schnitt verändert, wobei der Dosierkegel statr mit twei (ibereinander angeordneten Membranen ungleicher aktiver Fläche verbunden ist, die das Ventilgehäuse in drei Räume unterteilen, von denen ein Raum vom Saugrohrdruck, ein Raum vom Auspuffgasgegendruck bzw. von des unmittelbar stromab des Brnnstoffregelventils vorhandenen Druck und der dritte Raus vom Druck des abströmenden Rrennstoffes beaufschlagt ist.
Als Sensor zur Messung der Drehzahl der Brennkraftmaschine dient zweckmäßig ein Zündimpulsaufnehmer.
Die Zuführung des Zusatzbrennstoffs geschieht vorzugsweise unmittelbar in die Auspuffsammelleitung.
In der Hauptanmeldung ( Patentanmeldung P 22 43 266.2) wurde bereits dargelegt, daß es vorteilhaft ist, stromauf des Sensors zur Messung des Sauerstoffgehaltes oder Kohlenmonoxidgehaltes des Auspuffgases eine thermische Nachverbrennung zu unterhalten.
Eine thermische Nachverbrennung kann jedoch nur unmittelbar hinter den Auslaßventilen unterhalten werden. Da ber die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine stets mit unterschiedlichen Werten des Luft-Brennstoffverhältnisses k betrieben werden, ist es äußerst schwierig und aufwendig, eine derartige thermische Nachverbrennung stabil zu halten Aufgabe der Erfindung ist es, bereits stromauf des Sensors eine Nachverbrennung zu unterhalten, deren Stabilität weitgehend davon unabhängig ist, mit welchem Wert des Luft/Brennstoffverhältnisses X die jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine betrieben werden, wobei eine Stabilisierung der Meßwertaufnahme des nachgeschalteten Sensors und eine Entlastung des- nachgeschalteten Reaktors bezweckt ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelost, daß stromauf des Sensors zur Messung des Sauerstoffgehaltes oder Kohlenmonoxidgehaltes des Auspuffgases eine katalytische Nachverbrennung eines Teils des mit Zusatzbrennstoff angerherten Auspuffgases stattfindet.
Zweckmäßig besteht die Vorrichtung zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens darin, daß stromauf des Sensors zur Messung des Sauerstoffgehaltes oder Kohlenmonoxidgehaltes des Auspuffgases ein katalytisch wirkendes Element zur Umwandlung der Schadstoffe in andere Stoffe angeordnet ist, dessen aktive Oberfläche wesentlich kleiner ist als die aktive Oberfläche des stromab des Sensors angeordneten Reaktors.
Das katalytisch wirkende Element istztieckmäßig mit einer Wirbelkammer zu einer Baueinheit vereinigt.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die Ansprechgenauigkeit desSensors zur Messung des Sauerstoffgehaltes oder Kohlenmonoxidgehaltes erhöht ist, weil er bei höheren Temperaturen und in Bereichen kleinerer Sauerstoff- bzw. Kohlenmonoxidkonzentration arbeitet, daß der Sensor kleiner dimensioniert werden kann und daß die Neßwertaufnahme stabilisiert und zugleich der nachgeschaltete Reaktor entlastet ist.
Die Zeichnung zeigt ein Beispiel der Erfindung.
Die Brennkraftmaschine 11 besitzt auf der Saugseite das Saugrohr 12, an dessen Ende der Vergaser 13 angeflanscht ist. Der Vergaser besitzt eine Schwimmerkammer 14, die bis zur gestrichelt gezeichneten Linie mit Brennstoff gefüllt ist. Die Nachfüllung geschieht mittels des Schwimmers 15 und des mit ihm verbundenen Schwimmernadelventils 16 16 über die Brennstoffzweiglei tung 17 und die Brennstoffleitung 18 durch eine nicht gezeichnete Brennstoffpumpe. Die Luftzufuhr zum Vergaser 13 geschieht durch das Luftfilter 19.
Auf der Auspuffseite besitzt die Brennkraftmaschine 11 die Auspuffsarmelleitung 20, die über eine Wirbelkammer 21 und das mit der Wirbelkammer 21 zu einer Baueinheit vereinigte katalytisch wirkende Element 60 zum Reaktor 22 und von dort ins Freie führt.
Die zugabe des Zusatzbrennstoffs erfolgt über die Brennstoffzweigleitung 23, das Brennstoffdruckregelventil 24, die Zusatzbrennstoffleitung 25, das Brennstoffregelventil 26 und das kurze Zusatzbrennstoffleitungsstück 27 unmittelbar in die Auspuffsammelleitung 20.
Das Brennstoffdruckregelventil 24 hat die Aufgabe, den Brennstoffdruck in Abhangigkeit von der Motorbelastung bzw. vom Druck im Saugrohr 12 zu verändern, wodurch die zugeteilte Zusatzbrcnnstoffmenge der von der Brennkraftmaschine gelieferten Auspuffgasmenge als Vorregelung angepaßt werden soll.
Das Brennstoffdruckregelventil 24 besteht aus einem dreiteiligen Gehäuse 28, das durch die Membranen 29 und 3o in die drei Räume 31,32 und 33 unterteilt ist. Im unteren Teil des Gehäuses befindet sich am Eingang der Brennstoffzweigleitung 23 die Brennstoffdüse 34, in der ein verschieblich gelagerter und mit den Membranen 29 und 30 starr verbundener Dosierkegel 35 angeordnet ist, der den freien Durchtrittsquerschnitt der Brenn stoffdüse 34 verändert, sobald er aufwärts oder abwärts bewegt wird.
Der Saugrohrdruck wird über die Leitung 36 in den Raum 31 geleitet. Da der Saugrohrdruck unter dem Atmosphärendruck liegt, wird auf die Membran 29 eine Kraft ausgeübt, die der Kraft der Druckfeder 37 entgegenwirkt. Bei hohem Saugrohrdruck ( Vollastbetrieb) bringt die Kraft der Druckfeder 37 den Dosierkegel 35 in Öffnungsstellung, wodurch im Raum 33 etwa der gleiche Druck herrscht, wie in der Brennstoffzweigleitung 230 dieser Druck wirkt auch auf die Membran 3o und über die starre Verbindung indirekt auf die Membran 29 und die Druckfeder 37 ein, so daß ein Gleichgewichtszustand der KrEfte eintritt und die Lage des Dosierkegels 35 von der Differenz der Drücke in den Räumen 31 und 33 abhängt.
Bei niedrigerem Saugrohrdruck (Teillastbetrieb) ) wird der Dosierkegel 35 mehr in Schließrichtung bewegt und der Brennstoffdruck im Raum 33 soweit abgebaut, bis wieder ein Gleichgewicht der kräfte vorhanden ist.
Die Fläche der Membran 29 steht zur Fläche der Membran 30 im umgekehrten Verhältnis der gewünschten Beeinflussung der Druckschwankungen im Raum 31 zum Druck im Raum 33. Wird beispielsweise davon ausgegangen, daß sich der Saugrohrdruck im Betriebsbereich der Brennkraftmaschine um o,75 kp,cm2 ändert, wobei der Brennstoffdruck davon unabhängig in der Brennstoffzweigleitung 23 o,3 kg/cm2 beträgt und eine Änderung von o,25 kg/cm2 erfolgen soll, so ist das Flächenverhältnis der Membranen 29 und 30 wie 1:3 zu wählen.
Da der Druck in der Abgassammelleitung 20 im Betriebsbereich der Brennkraftmaschine nicht konstant ist, wird auf folgende Weise eine Kompensation des Abgasgegendruckes durch Einwirkung auf die Brennstoffdruckregelung bewirkt: Über die Leitung 38 wird der Abgasgcgendruck in den Raum 32 des Brennstoffregelventils 24 geleitet, wodurch über die Zebran 30 auf den Dosierkegel 35 eine Kraft in Öffnungsrichtung ausgeübt wird, so daß der Druck im Raum 33 ansteigt. Eine Erhöhung des Abgasgegendrucks stromab des Brennstoffregelventils 26 steht somit eine Erhöhung des Brennstoffdrucks stromauf des Ventils gegenüber und umgekehrt.
Vor dem Reaktor 22 befindet sich in der Auspuffleitung ein Sensor 39 zur Messung des Sauerstoffgehaltes des Auspuffgases.
Er besteht aus einem Meßwertaufnehmer mit einer platlnbeschichteten Wandung aus Zirkonoxid. Der Meßwertaufnehmer ist so angeordnet, daß die Wandung auf der einen Seite mit dem zu dessen den Auspuffgas und auf der anderen Seite mit der Atmosphäre in Berührung ist.
Der Sensor 39 fahrt in Abhängigkeit vom Sauerstoffgehalt über die elektrische Leitung 40 dem Impulsgeber 41 ein Spannungssignal zu. Der Impulsgeber 41 wird außerdem über die lipuisleitung 42 von Zündimpulsen drehzahl@bhängig angesteuert.
Die Zündimpulse stammen von der aus Zündverteiler 43, ZUndspule 44 und Zündunterbrecher 45 bestehenden Zündanlage der Brennkraftmaschine.
Über die Leitung 46 wird dem Impülsgeber 41 aus einer nicht gezeichneten Akkumulatorenbatterie eine Versorgungsspannung von .12 bis 14,6 Volt zugeführt.
Der Impulsgeber 41 bildet aus den Zündimpulsen ein Triggersig nal, dessen jeweilige Impulsdauer durch das vom Sensor 39 zugeführte Spannungssignal bestimmt wird. Über die Leitung 47 wird das Brennstoffregelventil 26 angesteuert.
Das mit Zusatzbrennstoff angerethede Auspuffgas wird in der Wirbelkammer 21 gemischtund durchströmt dann das- katalytisch wirkende Element 60, an dessen aktiver Oberfläche die katalytische Nachverbrennung eines Teils des mit Zusatzbrennstoff angereicherten Auspuffgases stattfindet. Das nunmehr bereits einen niedrigeren Sauerstoffgehalt aufweisende, jedoch durch die teilweise Nächverbrennung aufbeheizte Gas wird anschließend an dem Sensor 39 vorbeigeführt und durchströmt dann den Reaktor 22.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Beispiel beschränkt. Im Rahmen der Schutzansprüche sind auch noch andere Anordnungen und Dimensionen der Erfindung denkbar.

Claims

Patentansprüche

Verfahren für die Bemessung von Zusatzbrennstoff zur Erzielung optimaler Nachverbrennung der Abgase von Brennkraftmaschinen nach Patentanmeldung P 22 43 266.2, bei dem die Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Sauerstoffgehalt oder Kohlenmonoxidgehalt des Auspuffgases im Gebiet zwischen Brennkraftmaschine und Reaktor in bekannter Weise mittels eines Sensors kontinuierlich gemessen werden, die Meßwerte als CjN/C u3P a rußen

einer selbsttätigen Regel einrichtung eingegeben werden, die ihrerseits mittels eines Brennstoffregelventils die Menge des Zusatzbrennstoffs so regelt, daß am Meßort eine Auspuffgaszusammensetzung vorhanden ist, die in engen Toleranzen von + o,5X einem Luft-Brennstoffverhältnis X = entspricht, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,daX stromauf des Sensors eine katalytische Nachverbrennung eines Teils des mit Zusatzbrennstoff angereicherten Auspuffgases stattfindet.
2.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anpruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß stromauf des Sensors (39) zur Messung des Sauerstoffgehaltes oder Kohlenmonoxidgehaltes des Auspuffgases ein katalytisch wirkendes Element ibo) zur Umwandlung der Schadstoffe in andere Stoffe angeordnet ist, dessen aktive Oberfläche wesentlich kleiner ist als die aktive Oberfläche des stromab des Sensors (39) angeordneten Reaktors.
3.) Vorrichtung nach Anspruch 2, da d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß das katalytisch wirkende Element (60) mit einer Wirbelkammer (21) zu einer Baueinheit vereinigt ist.