DE2257329A1

DE2257329A1 - Verfahren und vorrichtung zum vermindern der giftigen bestandteile in den abgasen von brennkraftanlagen

Info

Publication number: DE2257329A1
Application number: DE2257329A
Authority: DE
Inventors: Shin-Ichi Nagumo; Yasuo Nakajima; Himura Yo
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1971-11-22
Filing date: 1972-11-22
Publication date: 1973-06-20
Also published as: GB1381747A; US3817232A; FR2162823A5; DE2257329B2

Description

PATENTANWALTSBÜRO TlEDTKE - BüHLING - KfNNE

TEL. (Οβ 11) S3ββS3-» TELEXi 524MS tipat CABLE ADDRESS: Germaniapatant München O O C 'T O O Q

8000 München 2

Bavariarlng4 22. November 1972

Postfach 202403

Nissan Motor Company,- Limited Yokohama City (Japan)

Verfahren und Vorrichtung zum Vermindern der giftigen Bestandteile in den Abgasen von Brennkraftanlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermindern der giftigen Bestandteile, wie Stickoxyde,in den Abgasen von Brennkraftanlagen.

Eine Vielzahl von Einrichtungen ist entwickelt und eingesetzt worden in dem Versuch," eine brauchbare Lösung der Luftverschmutzungsprobleme.zu finden, die durch den Betrieb von Brennkraftanlagen - wie von Motoren bei Kraftfahrzeugen - bedingt sind. Es hat sich herausgestellt,

30DS2S/014T

daß die Probleme der Luftverschmutzung nicht nur von der Verwendung von Verbrennungskraftmaschinen, sondern auch von Verbrennungseinrichtungen mit Außenverbrennung - wie Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf - herrühren. Die giftigen Bestandteile in den Abgasen der Maschinen umfassen gewöhnlich Stickoxyde und unverbrannte oder teilweise verbreannte verbrennbare Bestandteile wie Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxyde. Die Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxydesind das Ergebnis einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Maschine, wohingegen die Stickoxyde dann entstehen, wenn die Maschinen bei verhältnismäßig hohen Temperaturen arbeiten, was allgemein bekannt ist. Wo Anordnungen getroffen werden, bei denen das Kraftstoff-Luft-Gemisch vollständig verbrannt ist, bevor die Maschinenabgase abgeführt werden, steigt die Konzentration der Stickoxyde in den Abgasen aufgrund der gesteigerten chemischen Reaktion zwischen Sauerstoff und Stickstoff an. Wenn hingegen angestrebt wird, daß die Konzentration an Stickoxyden hinreichend vermindert ist, dann neigt die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Maschine dazu unvollständig zu werden, wobei im Ergebnis ein erhöhter Anteil an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyden erzeugt wird. Es sind daher Versuche besonders in der Motorenindustrie angestellt worden, um einen Kompromiß zwischen diesen wechselseitig sich widersprechenden Anforderungen zu finden. Die Erfindung beab-

309825/0747

siehtigt eine fortschrittliche Lösung dieses Problems.

Wenn die Verbrennungsmaschine bei verhältnismäßig hoher Temperatur betrieben wird, werden die Stickoxyde durch die Rektion zwischen dem Sauerstoff und dem Stickstoff der Luft in der Kammer rezeugt. Im Falle des Stickstof foxyduls findet die Reaktion folgendermaßen statt;

N₂ + O₂ —: *» 2 NO

Es ist bekannt, daß das Stickstoffoxydul in großer Menge erzeugt wird, wenn die Maschine bei hohen Temperaturen arbeitet. Aus diesem Grunde könnte die Konzentration an Stickstoffoxydul vermindert werden, wenn die Maschine bei geringer Temperatur arbeitet. Dies führt jedoch zu einer verminderten VerbrenhungsIeistung und demgemäß zu einem Anstieg des Kraftstoffverbrauchs der Maschine, woran eine,drastische Lösung des Problems der Luftverschmutzung scheitert.

Die durch die Erzeugung von Stickstoffoxydul herbeigeführte Luftverschmutzung kann auch ,in der Weise einigermaßen verhindert werden, daß das Stickstoffoxydul mit Hilfe eines geeigneten Katalysators in Wasserstoff und Stickstoff zerlegt wird, bevor die Abgase an die Luft abgegeben werden. Zu diesem Zweck müßten die Abgassysteme mit kostenaufwendigen Einrichtungen ausgestattet werden, die

309825/0747

eine aufwendige Unterhaltung und Wartung erfordern und die zum vollständigen Zerlegen des Stickstoffoxyduls nicht, ganz ausreichen.

Die Erfindung schlägt ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung vor, mittels derer die Konzentration an Stickoxyden in den Abgasen der Maschine vermindert und gleichzeitig die Konzentration an Kohlenwasserstoffen* und Kohlenstoffraonoxyden um ein beträchtliches Maß herabgesetzt werden ohne Zuhilfenahme eines unabhängigen Systems, das zum Verringern derartiger verbrennbarer Bestandteile besonders ausgebildet ist. Dieses Ziel kann grundsätzlich durch Mischen des für die Maschine bestimmten Kraftstoffes mit Luft erreicht werden, aus der der Stickstoff entfernt ist, so daß die Abgase der Maschine im wesentlichen keine Stickoxyde enthalten. Solche Luft ohne Stickstoff wird hier alS'denitrifizierte Luft bezeichnet, die als Hauptbestandteil aus Sauerstoffgas besteht und chemisch stabile seltene Gase in einem abschätzbaren Verhältnis enthält. Wenn daher Kraftstoff in der Maschine mit Hilfe der denitrifizierten Luft verbrennt, die hauptsächlich Sauerstoff enthält, wird die Verbrennung so schnell erfolgen, dali sie für praktische Verwendungszwecke unzulässig ist und eine Gefahr während des Betriebes der Maschine darstellt·

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren 309825/0747

und eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art vorzusehen, mittels derer die Konzentration an Stickox^den in den Abgasen verschiedener Verbrennungskraftanlagen vermindert werden kann, während gleichzeitig die Konzentration an unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonox;yden in den Abgasen auf einfache Weise herabgesetzt wird, ohne daß dadurch die Verbrennungsleistung der Kraftanlagen beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß durch eine Stickstoff-Abscheideeinrichtung ein .Luftstrom strömt, der mit Kraftstoff für die Brenrikraftanlage vermischt wird, um die Luft im wesentlichen zu denitrifizieren, daß die Abgase der Brennkraftanlage in einer gesteuerten Menge rückgeführt wird, daß die den^trifizierte Luft mit den rückgeführten Abgasen in einem gesteuerten Mengenverhältnis vermischt wird, daß die sich hierbei ergebende Mischung von denitrifizierter Luft und rückgeführten Abgasen mit dem Kraftstoff für die Maschine gemischt wird und daß das sich hierbei ergebende Verbrennungsgemisch der Brennkraftanlage zur Verbrennung in dieser z.ugeführt wird.

Demzufolge wird, gemäß der Erfindung ein Luftstrom, der mit Kraftstoff für die Kraftanlage vermischt wird, zunächst durch eine Stickstoff-Abscheideeinrichtung gelel-

tet, so daß die Luft im wesentlichen denitrifiziert wird, wodurch ein Gas mit Sauerstoff als Hauptbestandteil erhalten wird. Die auf diese Weise denitrifizierte Luft wird daraufhin mit den Abgasen vermischt, die aus der Brennkraftanlage in gesteuerter Menge rückgeführt werden. In diesem Fall wird bevorzugt, daß die denitrifizierte Luft und die rückgeführten Abgase in einem Mengenverhältnis miteinander vermischt werden, das im wesentlichen dem Verhältnis zwischen Sauerstoff und Stickstoff der normalen Luft entspricht. Die sich hierbei ergebende Mischung aus denitrifizierter Luft und rückgeführten Abgasen wird daraufhin mit flüssigem oder emulsionsartigem Kraftstoff in vorbestimmten! Verhältnis gemischt» Die derart erhaltene verbrennbare Mischung wird schließlich der Brennkraftanlage in gewohnter Weise zur Verbrennung zugeführt. Wenn es erforderlich ist, besonders wenn die Brennkraftanlage andauernd oder zeitweilig unter verhältnismäßig hoher Belastung arbeitet, kann der denitrifizierten Luft und den rückgeführten Abgasen bevor sie miteinander vermischt werden Frischluft in gesteuertem Mengenverhältnis beigemischt werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe zum unter Druck setzen eines Luftstromes vorgesehen ist, daß eine Stickstoff-Abscheideeinrichtung vorgesehen ist, die

309825/0747

derart ausgestattet ist, daß in ihr Stickstoffmoleküle abgelagert werden, daß der Luftstrom beim Hindurchströmen durch die Stickstoff-Abscheideeinrichtung im wesentlichen denitrifiziert wird, daß wenigstens eine Leitung für die denitrifizierte Luft vorgesehen ist, die von der Stickstoff-Abscheideeinrichtung ausgeht und dazu dient, die von der Abscheideeinrichtung abgegebene denitrifizierte Luft abzuführen, daß eine mit einem Ventil versehen Rückführleitung für die Abgase vorgesehen ist, die von dem Auspuff systei der Brennkraftanlage ausgeht, um durch sie die Abgase von der Kraftanlage in einer gesteuerten Menge rückzuführen, daß eine Mischkammer vorgesehen ist, in die die Leitung für die denitrifizierte Luft und die Leitung für die rückgeführten Abgase einmünden und die zum Vermischen der denitrifizierten Luft und der rückgeführten Abgase in einem gesteuerten Mengenverhältnis dient, und daß ein Vermischungsdurchlaß vorgesehen ist, der von der Mischkammer zu einer Kraftstoffquelle der Brennkraftanlage zum Vermischen der Mischung aus denitrifizierter Luft und rückgeführten Abgasen mit dem Kraftstoff zur Verbrennung in der Brennkraftanlage führt.

Es hat sich ferner als praktisch erwiesen, verdichtete Luft zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff, die in der Luft enthalten Bind, zu verwenden. Wie Versuche und Entwicklungen kürzlich zeigten, stehen nun eine für Stick-

3Ö982S/Q747

stoff undurchlässige Membrane und ein Molekularsieb, die zum Absorbieren von Stickstoffmolekülen geeignet sind, zur Verfügung, die auf einfache Weise die Abtrennung der Stickstoffmoleküle aus der Luft ermöglichen. Die für Stickstoff undurchlässige Membrane enthält eine Substanz, die zum Zurückhalten solcher Moleküle - wie z.B. Stickstoffmoleküle - befähigt ist, die in amorphem Zustand vorliegen oder die größer als die vorbestimmten Abmessungen sind. Typisch für das Molekularsieb, das als Stickstoff-Absorptionsmittel verwendet wird, ist Zeolith, das als Silikat aus künstlichem Material oder natürlich vorkommendem Zeolith als Ausgangsmaterial hergestellt ist. Das künstliche oder natürlich vorkommende Zeolith wird zuerst mechanisch zerkleinert und dann einer gewissen chemischen Behandlung gewünschter Art unteiworfen. Das auf diese Weise gewonnene Zeolith wird hier als "behandeltes Zeolith" bezeichnet.

Wenn daher Luft über das behandelte Zeolith streicht, das in der Form von Körnern in einen bestimmten Behälter eingebracht ist, ist es den Sauerstoffmolekülen möglich, durch die Packung von gekörntem Zeolith hindurch zu strömen, während sich die Stickstoffmoleküle in den Zwischen^ räumen des Kristallgitters des Zeolithe aufgrund der unterschiedlichen Abmessungen hinsichtlich der Größe und Gestalt zwischen den Sauerstoff- und Stickstoffmolekülen ablagern.

3098 25/0747

Sowohl die für Stickstoff undurchlässige Membrane als auch das behandelte Zeolith der zuvor beschriebenen üblichen Beschaffenheit sind für das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendbar. Welche Art von Stickstoff-Abscheideeinrichtung auch immer bei dem Verfahren und bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden, dieAbscheideeinrichtung wird unvermeidlich mit Stickstoffmolekülen gesättigt, wobei bei fortschreitendem Denitrifiziervorgang die Stickstoffmoleküle auf der für Stickstoff undurchlässigen Membrane oder auf der Körnerlage des Zeoliths abgelagert oder angehäuft werden. Dies führt zu einer Verschlechterung der Wirkungsweise der. Stickstoff-Abscheideeinrichtung. Zum Zwecke der Abtrennung der Stickstoffmoleküle aus der Luft bei gleichbleibendem Wirkungsgrad ist es deswegen erforderlich, die Filtereinrichtung periodisch zu reinigen. Die Stickstoff-Abscheideeinrichtung ist daher vorzugsweise in wenigstens zwei getrennte Einheiten aufgeteilt, durch die die zugeführte Luft abwechselnd oder der Reihenfolge nach hindurchströmt. Die Einheit oder Einheiten, die von der durchströmenden Luft abgeschlossen sind, werden in der Zwischenzeit zur Reinigung einer Saugwirkung unterworfen. Für diesen Zweck enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine Stickstoffabführleitung, die von der Einlaßseite der Stickstoff-Abscheideeinrichtung ausgeht, und eine in der Stickstoffabführleitung angeordnete Saugpumpe, deren Saug-

30 9 825/0747

seite mit der Stickstoff-Abscheideeinrichtung in Verbindung steht und deren Druckseite zur Atmosphäre geöffnet ist. In diesem Fall besorgt eine Anordnung von Leitungen eine abwechselnde Verbindung zwischen der Stickstoffabführleitung und den wenigstens zwei Einheiten der Stickstoff-Abscheideeinrichtung, die von der Pumpeinrichtung abwechselnd getrennt werden. Die derartige Leitungsanordnung kann ein Paar Luftzuführleitungen umfassen, die eine Verbindung zwischen der Pumpeinrichtung und den Einlaßseiten der Einheiten der Stickstoff-Abscheideeinrichtung über entsprechende Absperrventile herstellen, die ein Paar Leitungen für die denitrifizierte Luft umfassen, die eine Verbindung zwischen den Auslaßseiten der Einheiten der Stickstoff-Abscheideeinrichtung und der Mischkammer über zugeordnete Absperrventile vorsehen, die ein Paar Stickstof f-Abfürhzweigleitungen umfassen, die von den Luftzuführleitungen zwischen den darin angeordneten Absperrventilen und den Einheiten der Stickstoff-Abscheideeinrichtung ausgehen und die über zugeordnete Absperrventile mit der Stickstoffabführleitung in Verbindung stehen, in der die Saugpumpe eingegliedert ist, wobei die Absperrventile, die einer der Einheiten zugeordnet sind, abwechselnd entsprechend den Absperrventilen, die der anderen Einheit zugeordnet sind, geöffnet und geschlossen werden und wobei die Absperrventile in den Stickstoff-Abführzweigleitungen abwechselnd nacheinander geöffnet und geschlossen werden,

309825/07^7

wenn die Absperrventile in den Luftzuführleitungen und diejenigen in den Leitungen für die denitrifizierte Luft geschlossen bzw, geöffnet werden,, Die wenigstens zwei Einheiten der Stickstoff-Abscheideeinrichtung können hierzu um eine Achse drehbar angeordnet und hermetisch voneinander abschließbar sein. In diesem Fall enthält die vorgenannte Leitungsanordnung öffnungen, die im wesentlichen in einer Bichtung parallel zur Drehachse der Einheiten der Stickstoff-Abscheideeinrichtung miteinander ausgerichtet sind und die in standiger Verbindung mit der Pumpeinrichtung bzw. der Abführleitung für die denitrizifierte Luft stehen; ferner enthält die Leitungsanordnung eine weitere Öffnung, die im wesentlichen diametral gegenüberliegend der erstgenannten Öffnung angeordnet ist, die mit der Pumpeinrichtung quer zur Drehachse der Einheit verbunden ist und die mit der Stickstoffabführleitung ständig in Verbindung steht.

Die Brennkraftanlagen- werden somit in vorteilhafter Weise durch die Verbrennung eines Gemisches aus Kraftstoff und denitrifizierter Lpft angetrieben, die hauptsächlich Sauerstoff enthält. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung haben ferner den Vorteil, daß die Luft zuvor wirkungsvoll denitrifiziert wird und daß die denitrifizierte Luft mit dem Kraftstoff in einer Weise vermischt wird, die vorteilhaft für die richtige Wirkungsweise

309 82 5/0747

der Brennkraftanlagen ist und die Betriebssicherheit derselben gewahrleistet. Ferner wird hierdurch der Vorteil erzielt, daß nicht nur die Konzentration an Stickoxyden, sondern auch diejenige an Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoff monoxyd en durch die Denitrifizierung der Luft herabgesetzt wird, die mit dem Kraftstoff vermischt wird, wobei die Konzentration der giftigen Bestandteile in den Abgasen der Brennkraftanlagen auf ein im wesentlichen gleiches Niveau herabgemindert wird. Schließlich wird der Vorteil erzielt, daß die Verminderung an giftigen Bestandteilen in den abgasen der Brennkraftmaschinen auf schnelle Art und Weise bei nur geringen Kosten und in einer einfach aufgebauten Vorrichtung ermöglicht ist.

Die Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden in der Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung naher erläutert. Ea zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Anwendung bei einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs;

Fig. 2 s eine schematische Ansicht einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung für einenKraftfahreeug-' motor;

309825/0747

Fig. 3 eine graphische Darstellung von Beispielen der Sauerstoff-Konzentration in der Luf t, . die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung denitrifiziert ist;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Stickstoff-Abscheideeinrichtung der Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 5 einen Längsschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4; und

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung der' Stickstoff-Abscheideanlage gemäß Fig. 4 und 5 in der Anwendung bei einem Kraftfahrzeug-Motor.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der beispielsweisen Anwendung bei einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung kann aber auch bei einer Brennkraftanlage oder Antriebsmaschine jeglicher Art angewandt werden, insofern als diese ein Arbeitsverfahren verwenden, in dem die Wärmeenergie, die durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches erzeugt wird, in mechanische Arbeit umgewandelt wird.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in 309825/0747

Verbindung mit einer mit der Ziffer 10 bezeichneten Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Der Motor 10 ist mittels einer Ansaugleitung 12 mit einem Vergaser 14, durch den das Kraftstoff-Luft-Gemisch dem Motor zugeführt wird, und mit einem Auspuffsammeirohr verbunden, durch das die Abgase an die freie Luft über ein Auspuffrohr 18 abgeführt werden, das ein Teil des Auspuffcyctems des Motors 10 bildet. Oberhalb des Vergasers 14 ist ein Luftfilter 20 angeordnet, der ein Filterelement 22 besitzt, durch das die Außenluft wie gewöhnlich angesaugt und von Staub gereinigt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt außerdem eine Luftpumpe 24, deren Saugseite an die Abluftseite des Luftfilters 20 angeschlossen ist. Hinter der Luftpumpe ist eine Luft-Denitrifiziereinheit 26 angeordnet, die mit der Druckseite der Pumpe 24 über eine Luftzuführleitung in Verbindung steht. Die Luft-Denitrifiziereinheit 26 weist eine Stickstoff-Abscheideeinrichtung 30 auf, die die zuvor erwähnte für Stickstoff undurchlässige Membrane oder Packung aus zuvor erwähntem behandelten Zeolith in der Form von Teilchen enthält. Die Luft-Denitrifiziereinheit 26 hat einen Aüstrittskanal 52, über den sie - wie gezeigt - mit einer Leitung 54 für die denitrifizierte Luft und über diese Leitung mit einer Mischkammer 56 in Verbindung steht. Die unter Druck stehende, von der Druck-

3098 25/07 47

seite der Luftpumpe 24 abgeführte Luft ist daher von den Stickstoffmolekülen befreit, wenn die Luft durch die Luft-Denitrifiziereinheit 25 gegangen ist, und die denitrifizierte Luft, die meistens ein Sauerstoffgas ist,.wird der Mischkammer 36 durch die Leitung 34 zugeführt.

Eine Abgasrücklaufleitung 38 führt von dem'Auspuffrohr 18 aus in die Mischkammer 36· In der Rücklaufleitung befindet sich vorder Mischkammer ein Durchflußregler 40, so daß die- von dem Motor 10 abgestoßenen Auspuffgase während des Betriebes der Mischkammer 36 in einer durch den Regler 40 gesteuerten Menge in die Mischkammer 36 zurückgeführt werden können. Die Abgasrücklaufleitung 38 ist wie dargestellt - mit Kühlripoen 42 versehen, mittels derer die rückgeführten Auspuffgase vor deren Eintritt in die Mischkammer 36 gekühlt werden. Die aus der Denitrifiziereinheit 26 kommende Luft wird somit mit den rückgeführten Auspuffgasen in gesteuertem Mengenverhältnis gemischt. Die Mischkammer 36 steht mit dem Vergaser 14 über einen Vermischungsdurchlaß 44 in Verbindung, in dem das Gemisch aus denitrifizierter Luft und rückgeführten Abgasen mit Brennstoff fürcen Motor in üblicher Weise vermischt wird. ' ·

Um eine Zersetzung der Stickstoff-Abseheideeinrich- tung 30 zu vermeiden, die durch Ablagerung der Stickstoff-

309825/07A7

moleküle bei fortschreitendem Denitrifiziervorgang bedingt ist, ist eine Stickstoff-Abführleitung 46 vorgesehen, die eine Saugpumpe 48 umfaßt. Die Saugseite der Saugpumpe 48 ist mit der Luft-Denitrifiziereinheit 26 verbunden; die Druckseite der Pumpe 48 ist zur Atmosphäre hin offen.

Wenn beim Betrieb der Motor 10 mit eingeschalteter Luftpumpe 24 und mit abgeschalteter Saugpumpe 48 arbeitet, wird die atmosphärische Luft durch die Luftpumpe 24 von dem Luftfilter 20 zur Luft-Denitrifiziereinheit 26 gedrückt. Die auf diese Weise der Denitrifiziereinheit zugeführte unter Druck stehende Luft wird durch die Stickstoff-Abscheideeinrichtung 30 der Einheit 26 von den Stickstoffmolekülen befreit. Die derart denitrifizierte, hauptsächlich aus Sauerstoffgas bestehende Luft wird der Mischkammer 36 zugeführt, in der die denitrifizierte Luft mit den rückgeführten Abgasen vermischt wird, die der Mischkammer durch die Abgasrücklaufleitung 38 in einer durch den Durchflußregler 40 geregelten Menge zugeleitet wird. In diesem Fall wird die denitrifizierte Luft mit den rückgeführten Abgasen vorteilhaft in einem Mengenverhältnis miteinander vermischt, das im wesentlichen dem Verhältnis von Sauerstoff und Stickstoff in der freien Luft im Hinblick auf die Verbrennungsieistung des MotorB 10 unter normalen Fahrbedingungen des Kraftfahrzeugs ent-

309825/0747

spricht. Die sich hierbei ergebende Mischung aus denitrifizierter Luft und rückgeführten Abgasen wird dem Vergaser 14 zugeleitet .und in diesem mit dem Kraftstoff in flüssigem oder emulsionsähnlichem Zustand vermischt, so daß ein gasförmiger Kraftstoff dem Motor 10 durch die Ansaugleitung 12 zugeführt wird.

Wenn der zuvor beschriebene Vorgang fortschreitet, werden die S.tickstoffmoleküle, die von der Luft in der Luft-Denitrifiziereinheit 26 abgetrennt sind, auf der. für Stickstoff undurchlässigen Membrane oder an dem Zeolith der Stickstoff-Abscheideeinrichtung 30 abgelagert, was zur Folge hat, daß die Fähigkeit der Einrichtung 30 vermindert wird, die Stickstoffmoleküle abzutrennen. Wenn die für Stickstoff undurchlässige Membrane oder das behandelte Zeolith der Einrichtung 30 unwirksam geworden sind, wird die Saugpumpe 48 eingeschaltet, so daß die auf der für Stickstoff undurchlässigen Membrane oder dem behandelten Zeolith abgelagerten Stickstoffmoleküle von dieser abgedrängt werden und als inertes unschädliches Gas durch die Stickstoff-Abführleitung 46 in die offene Luft abgegeben werden. Die Luft-Denitrifiziereinheit 26 stellt ihr Vermögen zur Abtrennung der Stickstoffmoleküle von der zugeführten Luft wieder vollständig durchReinigen der Stickstoff-Abscheideeinrichtung 30 her, so daß von der Einheit-26 zum zweiten Mal denitrifizierte Luft abgegeben

309825/0747

wird, die hauptsächlich Sauerstoffgas enthält. Um die Saugpumpe 48 zweckmäßig zu steuern, kann sie ,mit einer geeigneten Recheneinrichtung (nicht dargestellt) verbunden sein, die in der Lage ist, die Verschmutzung der Luft-Denitrifiziereinheit 26 mit Stickstoffmolekülen zu überwachen. Die Pumpe 48 kann aber auch in anderer Weise gesteuert werden.

Die Auspuffgase des Motors 10 sind im wesentlichen frei von Stickstoffgas, da die denitrifizierte Luft, die ■ mit den Auspuffgasen vermischt wird, keinen Stickstoff enthält. Dies hat zur Folge, daß eine vernachlässigbar kleine Menge an Stickoxyden in die freie Luft abgegeben wird solange die Denitrifiziereinheit 26 unter günstigen Bedingungen arbeitet. Die Mengen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenstoffmonoxyden in den Auspuffgasen sind ebenfalls bedeutsam vermindert, weil diese verbrennbaren Bestandteile im Motor wieder verbrannt werden, da die Auspuffgase rückgeführt werden.

Wenn nun die rückgeführten Auspuffgase der denitrifizierten Luft beigemischt werden, die Sauerstoff im Verhältnis von Stickstoff und Sauerstoff der normalen Luft enthält, wie zuvor dargelegt ist, dann besteht die Mischung, die im Vergaser mit Brennstoff vermischt wird, zu 20 % des Volumens aus Sauerstoff und zu 80 % des Volumens aus

309825/0747

rückgeführten Abgasen. Wenn in diesem Fall im wesentlichen kein Stickstoff in dem Gas" enthalten ist, das' zur Verbrennung im Motor geeignet ist, wird bei der Verbrennung eine vernachlässigbar geringe Menge an Stickoxyden erzeugt. Wenn somit 80 % des Volumens der Abgase rückgeführt werden - wie zuvor angedeutet ist, ist die in die Luft abgegebene Menge der Abgase auf 1/5 derjenigen Menge vermindert, die bei der herkömmlichen Art der Verbrennungssysteme abgegeben wird. Dies bedeutet, daß theoretisch die gesamte Menge an giftigen Bestandteilen außer den Stickoxyden, nämlich Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxyde und Sulfide, ebenfalls auf 1/5 im Vergleich zu den herkömmlichen Verbrennungssystemen vermindert ist.

Damit die Verbrennungsleistung des Motors unter Schwerlastbedingungen erhalten bleibt, bei denen ein erhöhter Betrag an Sauerstoff zur Verbrennung im Motor erforderlich ist, kann eine zusätzliche Luftzuführleitung vorgesehen werden, die aur Außenluft reicht und die über einen Durchflußregler 52 in die Mischkammer 36 führt. Die zusätzliche Luftzuführleitung 50 dient zum Beimischen zusätzlicher Luft zur denitrifizierten Luft und zu den rückgeführten abgasen unter Schwerlastbedingungen des Motors 10 in einem Mengenverhältnis, das durch die Durchflußregler 4-0 und 52 verändert wird. Die Durchflußregler 4-0 und 52 werden gewöhnlich durch eine.geeignete Recheneinrich-

309825/0747

tung (nicht dargestellt) in Abhängigkeit von. den Arbeitsbedingungen des Motors 10 gesteuert. Wenn daher der Durchflußregler 52 in der Luftzuführleitung 50 in der Weise gesteuert wird, daß die Mischung aus denitrifizierter Luft, die hauptsächlich aus Sauerstoffgas besteht, und atmosphärischer Luft von der Zuführleitung 50 zu 60 % des Volumens aus Sauerstoff und zu 40 % des Volumens aus Stickstoff besteht und wenn der Durchdlußregler 40 in der Abgasrücklaufleitung 38 die zugeführte Menge an Auspuffgasen derart steuert, daß die Mischung aus denitrifizierter Luft aus der Leitung 34, aus atmosphärischer Luft aus der Leitung 50 und aus Abgasen aus der Leitung 38 zu 20 % des Volumens aus Sauerstoff besteht, dann besteht die Mischung, die bei der Verbrennung des Kraftstoffes in dem Motor 10 mitwirkt, aus:

Sauerstoffgas 1/5

Stickstoffgas 1/5 x 40/60 = 2/15

rückgeführten Auspuffgasen 1 - 1/5 - 2/15 - 2/3 Hieraus wird deutlich, daß die Konzentration der Stickst off gase in der bei der Verbrennung mitwirkenden Mischung im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungssystemen

2/15 x 5/4 = 1/6

beträgt. Daraus folgt, daß die Menge an Stickoxyden, die bei der Verbrennung im Motor erzeugt wird, ebenfalls 1/6 derjenigen Menge beträgt, die bei bisher bekannten Verbrennungssystemen erzeugt' wird. Hinsichtlich der Tatsache,

309825/0747

daß 2/3 des Volumens der gesamten Abgasmenge rückgeführt werden, so daß nur 1/3 der Abgase an die offene Luft abgegeben werden, ist die an die Atmosphäre abgegebene Menge an Stickoxyden tatsächlich vermindert, und zwar im Vergleich zu bestehenden Verbrennungssystemen auf den Betrag von

1/6 χ 1/3 = 1/18 (ungefähr 5 %).

Dies bedeutet, daß die Menge der an die Luft abgegebenen Stickoxyde um etwa 95 % vermindert ist, wenn das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung in der Praxis angewandt werden und sogar dann, wenn zusätzliche Frischluft zur denitrifizierten Luft und zu den Auspuffgasen zugeführt wird. Es ist darüber hinaus bemerkenswert, daß der Gesamtbetrag an anderen giftigen Bestandteilen, wie Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxyde und Sulfide, auf 1/3 im Hinblick auf die Tatsache vermindert ist, daß nur 1/3 der Auspuffgase an die freie Luft abgegeben werden. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der -Erfindung sind daher nicht nur zum Vermindern des Anteils der abgeführten Stickoxyde, sondern auch zum Vermindern anderer giftiger Bestandteile brauchbar.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist die Zufuhr denitrifizierter Luft zeitlich unterbrochen, wenn die Saugpumpe 48 in der Stickstoff-Abführleitung 46 wirksam ist, um das Stickstoffgas von der für Stickstoff un-

30 9 8-25/0 7 47

durchlässigen Membrane oder dem vorbehandelten Zeolith der Stickstoff-Abscheideeinrichtung 30 abzusaugen. Um von derartigen Unterbrechungen bei der Zufuhr von denitrifizierter Luft herrührende Verlustzeiten auszuschalten, kann das System zur Denitrifizierung der Luft vorzugsweise in zwei unabhängige Einheiten geteilt werden, die so ausgebildet sind, daß sie während des Betriebes abwechselnd arbeiten. Eine diesem Zweck dienende Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die von der Luftpumpe 24- kommende Luftzuführleitung 28 in ein Paar Abzweigleitungen 28a und 28b aufgeteilt, die über Absperrventile 5^-a Lind 54-b mit einem Paar Luft-Denitrifiziereinheiten 26a und 26b in Verbindung stehen. Die Einheiten 26a und 26b weisen Stickstoff-Abscheideeinrichtungen 30a und 30b auf. Die Abzweigleitungen 28a und 28b sind hier mit darin angeordneten Luftentfeuchtungsanlagen 56a und 56b dargestellt, die dazu dienen, die Feuchtigkeit aus der von der Luftpumpe 24- durch die Abzweigleitungen 28a und 28b zugeführte Luft zu entfernen. Die Luftentfeuchtungsanlagen 56a und 56b enthalten z.B. hygroskopische Materialien 58a und 58b aus Silikagel und Kohlenstoffmonoxyd-Absorptionsmittel 60a und 60b aus Zeolith in Teilchenform. Das Zeolith als !Molekularsieb für Kohlenstoffmonoxyd kann durch ein Material ersetzt werden, das im Handel unter

309825^0 747

dem eingetragenen Warenzeichen "Ascarite", hergestellt von A. Ή. Thomas Company, USA, erhältlich ist, wenn dies bevorzugt wird. Die Stickstoff-Abscheideeinrichtungen 30a und 30b können die Molekularsiebe von behandeltem Zeolith oder die für Stickstoff undurchlässige Membrane enthalten, wie zuvor ausgeführt ist.

Die Luft-Denitriflziereinheiten 26a und 26b stehen mit einer gemeinsamen Mischkammer 36 über Leitungen 34a bzw. 3^b für die denitrifizierte Luft in Verbindung. Die Leitungen 34a und 34b sind mit Absperrventilen 62a bzw. 62b versehen. Die Mischkammer 36 steht auf einer Seite mit dem Vergaser 14 des Motors 10 über einen Vermischungsdurchlaß 44 und auf der anderen Seite mit dem Auspuffrohr 18 von dem Motor 10 her über eine Abgasrücklaufleitung 38, die einen Durchflußregler 40 enthält, in Verbindung, ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. 1. Ferner kann ähnlich der Anordnung nach Fig. 1 vorzugsweise eine zusätzliche Luftzuführleitung 50 vorgesehen sein, deren eines Ende zur Atmosphäre hin offen ist und deren anderes Ende über einen Durchflußregler 52 in die Mischkammer 36 einmündet . · -

Zwischen den Absperrventilen 54a und 54b und den Luftentfeuchtungsanlagen 56a und 56b der Luftzuführ-Ab-Zweigleitungen 28a und 28b zweigt ein Paar Stickstoff-

309 8 25/ 0 7A7

Abführleitungen 46a und 4-6 b ab. Die Stickstoff-Abführleitungen 46a und 46b stehen über Absperrventile 64a bzw. 64b mit einer Leitung 46 in Verbindung, die eine übliche Saugpumpe 48 enthält.

Die Absperrventile 54a und 54b bzw. 62a und 62b bzw. 64a und 64b sind vorzugsweise Magnetventile und sind über elektrische Leitungen 68a und 68b bzw. 70a und 70b bzw. 72a und 72b mit einer zentralen Steuereinrichtung 66 verbunden. Die Durchflußregler 40 und 52 in der Abgasrückführleitung 38 und in der zusätzlichen Luftzuführleitung 50 sind über elektrische Leitungen 74 bzw. 76 ebenfalls mit der zentralen Steuereinrichtung 66 verbunden. Die zentrale Steuereinrichtung 66 schließt eine Recheneinrichtung ein, die in Abhängigkeit von den Anforderungen des praktischen Betriebes der erfindungsgemäßen Vorrichtung in jeder geeigneten Weise angeordnet und ausgebildet sein kann. Die Ausbildung der Steuereinrichtung erfolgt

hinsichtlich der unterschiedlichen Antriebsbedingungen des Kraftfahrzeugs, besonders des Motors 10, um die einzelnen Absperrventile und Durchflußregler in Bezug auf die wahrgenommenen Antriebsbedingungen des Kraftfahrzeugs zu steuern. Daher sind eine Gruppe von zugeordneten Absperrventilen 54a, 62a und 64b und die andere Gruppe von zugeordneten Ventilen 5^t>, 62b und 64a abwechselnd der Reihenfolge nach in Wirkstellung bringbar, wobei die Reihen-

309825/0747

folge durch die zentrale Steuereinrichtung 66 gesteuert wird. Die Durchflußregler 40 und 52 werden ebenfalls durch die zentrale Steuereinrichtung 66 gesteuert, um dadurch ein Steuern der Zuflußmengen an rückgeführten Abgasen und atmosphärischer Luft durch die Leitungen 38 bzw. 50 zu ermöglichen.

Wenn im Betrieb die Absperrventile·54b und 62b der einen Zuleitung für denitrifizierte Luft und das Absperrventil 64a der Stickstoff-Abführleitung 46a der anderen Zuleitung für denitrifizierte Luft geschlossen sind, befinden sich die Absperrventile 54a, 62a und 64b gleichzeitig in geöffneter ^teilung. Als Folge hiervon wird die durch den Luftfilter 20 von Staub befreite Luft durch die Luftpumpe 24 in die zur Luftzufuhr bestimmte Abzweigleitung 28a bei geschlossenem Absperrventil 5^b der anderen Abzweigleitung 28b gepumpt. Die Luft ist von Feuchtigkeit und Kohlenstoffmonoxyd durch das hygroskopische Material 58a und Kohlenstoffmonoxyd-Absorptionsmittel 60a der Luftentfeuchtungsanlage 56a befreit und wird der Luft-Denitrifiziereinheit 26a zugeführt, in der die Stickstoffmoleküle von der Luft durch die Stickstoff-Abscheideeinrichtung 30a der zuvor beschriebenen Art abgetrennt werden. Die hierbei erzeugte denitrifizierte Luft wird über das geöffnete Absperrventil 62a der Mischkammer 36 zugeführt und wird in dieser mit den rückgeführten Auspuffgasen aus

309825/0747

der Rückführleitung 38 und, falls der Durchflußregler 52 geöffnet ist, mit der zusätzlichen Frischluft aus der zusätzlichen Luftzuführleitung 50 vermischt. Die Mischung aus denitrifizierter Luft, rückgeführten Auspuffgasen und gegebenenfalls zusätzlicher Luft wird von dem Vergaser 14 über den Vermischungsdurchlaß 44 angesaugt, wie zuvor in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 beschrieben ist.

Während die durch die Luftpumpe 24 zugeführte Luft durch eine der Luft-Denitrifizierstrecken, die die Luftentfeuchtungsanlage 56a und die Luft-Denitrifiziereinheit 26a umfaßt, gereinigt wird, werden die Stickstoffmoleküle, die sich in der Luft-Denitrifiziereinheit 26b der anderen Luft-Denitrifizierstrecke abgesetzt bzw. angesammelt haben, zusammen mit der Feuchtigkeit und den Kohlenotoffmonoxyden in der Luftentfeuchtungsanlage 56b abgesaugt und in die freie Luft durch Betätigen der Säugpumpe 48 über die Stickstoff-Abführleitung 46b bei geöffnetem Absperrventil 64b abgeführt.

Wenn der Stickstoffabtrennvorgang in der Luft-Denitrif izierstrecke , die die Luftentfeuchtungsanlage 56a und die Luft-Denitrifiziereinheit 26a umfaßt, fortschreitet, werden die für Stickstoff undurchlässige Membrane oder das behandelte Zeolith der Stickstoff-^bscheideeinrichtung

309825/0747

30a dieser Strecke unwirksam oder wenigstens weniger wirksam, so daß sich die Fähigkeit der Einrichtung 30a zur Stickstoffabtrennung verschlechtert. Auf diesen Zu-' stand spricht die zentrale -Steuereinrichtung 66an. Als Folge hiervon werden die Absperrventile 5^-a, 62a und 64b geschlossen und der Reihe nach die entsprechenden Absperrventile 54b, 62b und 64a geöffnet, wodurch eine Verbindung zwischen der Luftzuführleitung 28 und der Mischleitung 34b sowie zwischen der Luft-Denitrifiziereinheit 26a und der Saugpumpe 48 über die stickstoff-Abführleitung 46a hergestellt wird. Die'denitrifizierte Luft wird nun über die abgezweigte Zuführleitung 28b und die Luft-Denitrifiziereinheit 26b zugeführt; gleichzeitig werden sowohl die andere Luft-Oonitrifiziereinheit 26a als auch die mit dieser verbundene Luftentfeuchtungsanlage 56b durch die Wirkung der Saugpumpe 48 gereinigt.

Die Luft-Denitrifizierstrecken, die demzufolge die voneinander unabhängigen Stickstoff-Abscheideeinrichtungen 30a und 30b umfassen, werden auf diese Weise nacheinander gereinigt, bevor die Stickstoff-Abscheideeinrichtungen mit Stickstoffmolekülen gesättigt sind und ihre Fähigkeit zum Abtrennen des Stickstoffs verloren haben oder hierin beeinträchtigt sind. Hieraus folgt, daß die Sauerstoffkonzentration in der denitrif!zierten Luft, die der.Mischkammer zugeführt wird, in ausreichender Höhe erhalten

309825/074?

bleibt. Ein Beisoiel für die Veränderung der Sauerstoffkonzentration der auf diese Weise denitrifizierten Luft ist durch das Diagramm I in Fig. 3 angedeutet. Wie hieraus ersichtlich ist, weist das Diagramm eine im allgemeinen sigezahnformige Wellenlinie auf, die im Verlauf der Zeit obere Scheitelpunkte A, A¹, ... und Tiefpunkte B, B¹, ... erreicht. Hieraus folgt, daß die Konzentration A der anfänglich von einer der Luft-Denitrifizierstrecken zugeführten denitrifizierten Luft abfällt, wenn die Stickstoffmoleküle in der Stickstoff-Abscheideeinrichtung dieser Strecke angehäuft werden. Wenn die Sauerstoffkonzentratioryin der denitrif i zierten Luft bis auf einen Wert B abgesunken ist, wird diese Luft-Denitrifizierstrecke abgeschaltet und von der Stickstoffablagerung gereinigt. Der Reihenfolge entsorechend wird nun die andere Luft-Denitrifizierstrecke, die im vorhergehenden Zyklus reaktiviert worden igt, eingeschaltet, so daß die Sauerstoffkonzentration in der denitrifizierten Luft auf einen Wert A' ansteigt und bis auf einen Wert B¹ abfällt. Die Abschnitte der sägezahnförmigen Wellenlinie des Diagramms I stimmen demzufolge mit der Zeitdauer überein, in der die jeweilige Luft-Denitrifiziereinheit der Anordnung'gemäß Fig. 2 wirksam ist. Der gekrümmte Kurvenverlauf A-B entsoricht dem Abfall der Sauerstoffkonzentration in der denitrifizierten Luft in Abhängigkeit von der Wirksamkeit der Stickstoffabtrennung in der einen Luft-Denitrifizierein-

309825/0747

heit, wohingegen der gekrümmte Kurvenverlauf A' — ß' dem Abfall der Sauerstoffkonzentration in der denitrifi- . zierten Luft der anderen Luft-Denitrifiziereinheit entsnricht.

Die Schwankungen in der Sauerstoffkonzentration der denitrifizierten Luft schaden mehr oder weniger der Wirkungsweise der Verbrennungskraftmaschine oder Jeder anderen ßrennkraftanlage, wie z.B. einem Heizkessel, da die Verbrennungsleistung beeinträchtigt wird und manchmal das Herabsetzen der Giftstoffe in den Abgasen auf einen hinreichenden Wert mißlingt. Die Fig. 4- und $ zeigen eine be.vorzugte Ausführungsform der Luft-Denitrif iziereinheit, die dazu geeignet ist, die Konzentration an Sauerstoff in der denitrifizierteri Luft auf einem erhöhten Stand während deren Betrieb konstant zu halten.

Die in den Fig. 4- und 5 dargestellte Luft-Denitrifiziereinheit besteht aus einer äußeren ortsfesten Trommel oder einem Zylinder 78 mit Abschlußwänden 80 und 82. Die äußere ortsfeste Trommel 78 trägt in den Mittelber.eichen der Abschlußwände 80 und 82 eine Achswelle -84-, die sich axial durch die Trommel 78 erstreckt. Die Achswelle 84-ist in der Trommel 78 drehbar gelagert und wird mit gesteuerter Drehzahl über eine Riemenscheibe 86 oder ein Getriebe und eine geeignete Reduktionseinrichtung (nicht

' 309825/0747

dargestellt) von einer geeigneten Antriebseinrichtung, wie z.B. der Kraftanlage, mit der die Denitrifiziereinrichtung verbunden ist, angetrieben. Eine innere Drehtrommel 88 ist an den Abschlußwänden 80 und 82 der äußeren ortsfesten Trommel 78 auf der Achswelle 84 gelagert und ist mit dieser und um die Achswelle 84 innerhalb der äußeren ortsfesten Trommel 78 drehbar. Die innere" jirehtromniel 88 ist mit Abdeckscheiben 90 und 92 versehen, in denen eine Anzahl von Ausnehmungen 90a bzw. 92a ausgebildet ist und die in merklichem Abstand von den Innenflächen der Abschlußwände 80 und 82 der äußeren ortsfesten Trommel 78 festgelegt sind. Wie Fig. 4 zeigt, ist die innere Drehtrommel 88 im Inneren radial in drei einzelne Kammern 94, 94· und 94" durch radiale Trennwände 96, 96' und 96" aufgeteilt, die sich in Längsrichtung zwischen den Abdeckscheiben 90 und 92 jier inneren Drehtrommel 88 und unter abstandsgleichen Winkeln voneinander erstrecken. Wenn hier beispielsweise drei Kammern gezeigt sind, so können in der inneren Drehtrommel auch nur zwei oder sogar mehr als drei Kammern vorgesehen sein. Innerhalb jeder der Kammern 94, 94' und 94·" sind voneinander abgetrennte Räume (nicht beziffert) ausgebildet, von denen einer durch in Längsrichtung im Abstand angeordnete netzartige oder durchlöcherte radiale Wände 98 und 98' und ein anderer durch ebensolche Wände 100 und 100' begrenzt ist, wie Fig. 5 zeigt. Der abgetrennte Raum, der durch die für Gas durchlässigen

309825/0747

'Fände 98 und 98' begrenzt ist, ist mit hygroskopischem und/oder Xohlenstoffmonoxyd-Absorptionsmaterial 102 gefüllt. Der andere Raum, der durch die für Gas durchlässigen Wände 100 und 100' begrenzt ist und hinter dem zuvor genannten Raum angeordnet ist, weist eine darin eingebrachte Füllung 104 von behandeltem Zeolith auf, das geeignet ist, die Stickstoffmoleküle aus der Luft abzutrennen.

Die Kammern 94, 94' und 94" sind hermetisch voneinander und von dem zylindrischen Zwischenraum zwischen den Umfangswänden der inneren und äußeren Trommel 88 bzw„ 78 mittels Dichtungselementen 106 und 108 abgeschlossen. Die Dichtungselemente sind an den Außenflächen der Abdeckscheiben 90 und 92 der inneren Drehtrommel 88 angebracht und gleiten unter Druck an den Innenflächen der Abschlußwände 80 und 82 der äußeren ortsfesten Trommel 78» Wie Fig. 4 bzw. 5 zeigt, weist das Dichtungselement 106, das zwischen den Abschlußwänden 80 und-82 der äußeren und inneren Trommel 78 bzw. 88 angeordnet ist, ein inneres ringförmiges Teil 106a, das die Achswelle 84 umgibt, radiale Teile 106b, die sich entlang den Enden der radialen Trenn-

wande 96, 96' und 96" erstrecken, und ein äußeres ringförmigec. Teil 106c auf,. das sich entlang dem äußeren Umfangsende der Abdeckscheibe 90 der inneren Drehtrommel erstreckt. Das andere Dichtungselement 108 ist mit dem

309 82 5/07 47

Dichtungselement 106 identisch ausgebildet und angeordnet. Mit den Ziffern 110 und 112 sind Dichtunr;celemente bezeichnet, die zwischen den Endbereichen der Achswelle 84 und den Abschlußwänden 80 bzw. 82 der äußeren ortsfesten Trommel 78 angeordnet sind, die die Achswelle 84 trägt.

In den Abschlußwanden 80 und 82 der äußeren ortsfesten Trommel 78 sind öffnungen 80a bzw. 82 a ausgebildet, die in einer Richtung zur Drehachse der inneren Drehtrommel 88 parallel zueinander ausgerichtet sind. Die von der Luftpumpe 24, die hinter dem Luftfilter 20 angebracht ist, kommende Luftzuführleitung 28 ist an die Öffnung 80a angeschlossen. Die Leitung 34 für die denitrifizierte Luft geht von der Öffnung 82a in der Abschlußwand 82 aus (Fig. 5). Die öffnungen 80a und 82a stehen miteinander über die öffnungen 90a und 92a in den Abdeckscheiben 90 bzw. 92 der inneren Drehtrommel 88 in ständiger Verbindung.

Die Abschlußwand 80 der äußeren ortsfesten Trommel 78 ist ferner mit einer öffnung 80b versehen,, die sich im wesentlichen diametral gegenüber der Öffnung 80a befindet. Die Stickstoff-Abführleitung 46 geht von der öffnung 80b aus und ist über die Säugpumpe 48 mit der Außenluft verbunden.

309825/07 47

Während des Betriebes wird die innere Drehtrommel 88 mittels der Achswelle 84 angetrieben und· dreht sich innerhalb der äußeren ortsfesten Trommel 88, wobei die Achswelle über die Riemenscheibe 86 oder ein Getriebe und eine geeignete Reduktionseinrichtung mit .einer gesteuerten Drehzahl umlluft. Wenn die innere Drehtrommel 88 in dieser Weise mit der Achswelle 84 umläuft, werden die Kammern 9^» 94-' und 9^" nacheinander in eine gerade Linie mit den ausgerichteten Öffnungen 80a und 82a in den Abschlußwänden 80 bzw. 82 der äußeren ortsfesten Trommel 78 und mit der öffnung 80b in der Abschlußwand 80 der Trommel 78 gebracht.

Wenn demzufolge die Kammer 9^ mit den Öffnungen 80a und 82a ausgerichtet ist, die mit der Luftzuführleitung 28 bzw. der Leitung 34 für die denitrifizierte Luft in Verbindung stehen, und wenn die der Kammer SM- benachbarte Kammer 94·' mit der öffnung 80b ausgerichtet ist, die zur Stickstoff-Abführleitung 46 führt (Fig. 4), dann wird die von der Luftpumpe 24 zugeführte Luft in die Kammer 94- der umlaufenden inneren Drehtrommel 88 durch die Ausnehmungen 90a in der Abdeckscheibe 90 gedrückt. Der in-die Kammer 94 eintretenden Luft wird zuerst die Feuchtigkeit und der Kohlenstoffmonoxydanteil entzogen, wenn sie durch die hygroskopischen und Kohlenstoffmonoxyd-Absorptionsmaterialien 102 hindurchströmt, und dann die Stickstoffmoleküle

309825/0747

4-

entzogen, wenn sie durch die Packung· 104 aus behandeltem Zeolith hindurchströmt. Die auf diese Weise erhaltene denitrifizierte Luft wird an die Leitung 34 durch die Ausnehmungen 92a in der Abdeckscheibe 92 der inneren Drehtrommel 88 abgegeben bevor die Kammer 94 aus der Linie mit der öffnung 82a in der Abschlußwand 82 der äußeren ortsfesten Tx^omrnel 78 gebracht wird. Währenddessen unterliegt die Kammer 94', die mit der zur Saugpumpe 48 führenden Öffnung 80b ausgerichtet ist, einer Saugwirkung, so daß die in der Kammer 94' angereicherten Stickstoffmoleküle ebenso wie die Feuchtigkeit und auch die Kohlenstoffmonoxyde von der Packung 104 und von dem Feuchtigkeits- und Kohlenstoffmonoxyd-Absorptionsmaterial 102 in der Kammer 94' abgetrennt und über die Stickstoff-Abführleitung 46 abgesaugt werden. Die Kammer 94' wird auf diese Meise von den Stickstoff- und Kohlenstoffmonoxjyd-Ablagerungen während der Zeit gereinigt, in der die Kammer 94' nicht mit der Öffnung 80ε in der Abschlußwand 80 der äußeren ortsfesten Trommel 78 ausgerichtet ist. Dann wird die Kammer 94" mit den öffnungen 80a und 82a ausgerichtet, um die Stickstoffmoleküle und die Kohlenstoffmonoxyde darin auszufangen, während die Kammer 94 von den angelagerten Stickstoffmolekülen und Kohlenstoffmonoxyden gereinigt wird. Die Kammern 94, 94' und 94" werden demzufolge periodisch in Stellungen gebracht, um die Luft zu denitrifizieren und um von den Stickstoff-Ablagerungen gereinigt zu werden,

309825/0747

wenn die innere Drehtrommel 88 zum Umlaufen innerhalb der äußeren ortsfesten Trommel 78 angetrieben wird. Die Ablaufphase, in der die einzelnen Kammern 94, 94' und 94-" mit den Öffnungen 80a und 80b in der Abschlußwand 80 beisoielsweise mit den Leitungen 28 und 46 ausgerichtet sind, kann durch die Wahl der Anzahl der Kammern, die in der inneren Drehtrommel ausgebildet werden, und/oder durch die Drehgeschwindigkeit der. Drehtrommel 88 vorbestimmt werden.

Durch Verwendung der Luft-Denitrifiziereinrichtung mit dem zuvor beschriebenen Aufbau und der erläuterten vVirkungsweise wird die Sauerstoffkonzentration in der dieser .Einrichtung zugeführten Luft auf einem zufriedenstellenden hohen Niveau gehalten, v/eil die Vielzahl an Stickstoff-Abscheideeinrichtungen, die die Denitrifiziereinheit bilden, in kleinen Zyklen hinreichend gereinigt werden, bevor die Abscheideeinrichtungen ihre Fähigkeit zum Abtrennen der Stickstoffmoleküle aus der durch die Einrichtung hindurcbgeführten Luft verloren haben oder diese Fähigkeit abgeschwächt ist. Ein Beispiel für die Veränderung der Sauerstoffkonzentration in der denitrifizierten Luft bei Verwendung einer derart ausgebildeten Einheit ist in Fig. 3 durch das Diagramm II angedeutet. Das Diagramm II weist im allgemeinen eine sägezahnförmige Wellenlinie auf, die ähnlich derjenigen im Diagramm I für die

309825/0747

Denitrifizier-Charakteristik der Denitrifiziereinheit genriß Fig. 2 ist. Das Diagramm II zeigt jedoch, daß die Sauerstoffkonzentration in der denitrifizierten Luft während des Betriebes der Denitrifiziereinheit auf einem hohen Niveau gehalten wird, wenngleich auch die Konzentration um einen merklichen Betrag schwankt, wie von dem Punkt G nach D und von G¹ nach D¹. Es ist augenscheinlich, daß der Punkt C oder G' kennzeichnend für die Sauerstoffkonzentration in der denitrifizierten Luft ist, die von einer der Kammern 94, 9^/+l und 94" im Anfangsstadium der Ausrichtung der Kammer mit den Offnungen 80a und 82a in den Abschlußwänden 80 und 82 der äußeren ortsfesten Trommel abgegeben wird, wohingegen der Punkt D oder D¹ für die Bauorrtoffkonzentration der Luft kennzeichnend ist, die von der jeweiligen Kammer im Endzustand ihrer Ausrichtung mit den Öffnungen 80a und 82a geliefert wird.

Fig. 6 zeigt eine anordnung, in der die Luft-Denitrifiziereinheit 26 mit dem in den Fig. 4 und 5 gezeigten Aufbau in Anwendung bei der Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ähnlich den Anordnungen in den Fig. 1 und 2 eingesetzt ist. Wie dargestellt ist,"führt die Leitung 34 für die denitrifizierte Luft in die Mischkammer 36, die über den Vermischungsdurchlaß 44 zum Vergaser 14 führt und mit dem Auspuffrohr 18 über die Abgasrückführleitung 38 in Verbindung steht. Die Wirkungsweise der

309825/0747

hier gezeigten Anordnung ist im wesentlichen derjenigen für die Anordnung gemäß Fig. 1 ähnlich mit der Ausnahme der für die Luft-Denitrifiziereinheit -26 beschriebenen Arbeitsweise,

Der vorhergehenden Beschreibung kann entnommen werden, daß das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung unter Verwendung einer einfachen Konstruktion nützlich sind, um die Konzentration der Stickoxyde in den Abgasen von verschiedenartigen Brennkraftanlagen herabzusetzen und um zugleich die anderen giftigen Bestandteile, wie Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxyde -und Sulfide, zu vermindern. Es sind im Vergleich zu früheren Verfahrensweisen keine besonderen oder unabhängigen Vorrichtungen erforderlich, um die Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxyde und Sulfide in den Abgasen zu vermindern, wobei früher diese giftigen Verbindungen durch die Verwendung einer Vorrichtung herabgesetzt worden sind, die unabhängig von der Vorrichtung zum Vermindern der Stickoxyde ist. Das hier beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung tragen daher bedeutsam zur Lösung der Luftverschmutzungsprobleme bei, die durch den Betrieb verschiedenartiger Brannkraftanlagen, wie z.B. bei Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen oder industriellen Heizkraftanlagen, bedingt sind. Die Arten der in der Beschreibung genannten Molekularsiebe sind nicht auf die vorliegende

309825/07A7

Erfindung begrenzt und als solche kann jede Art von Stickstoff-Abscheideeinrichtung Anwendung in dem Verfahren und in der Vorrichtung gemäß der Erfindung finden.

PatentansDrüche

309825/07Λ7

Claims

Patentansprüche

11.) Verfahren zum Vermindern der giftigen Bestandteile, wie Stickoxyde, in den Abgasen von Brennkraftanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Stickstoff-Abscheideeinrichtung ein Luftstrom strömt, der mit Kraftstoff für die Brennkraftanlage vermischt wird, um die Luft im wesentlichen zu denitrifizieren, daß die Abgase der Brennkraftanlage in einer gesteuerten Menge rückgeführt wird, daß die denitrifizierte Luft mit den rückgeführten Abgasen in einem gesteuerten Mengenverhältnis vermischt wird, daß die sich hierbei ergebende Mischung aus denitrifizierter Luft und rückgeführten Abgasen mit dem Kraftstoff für die Maschine gemischt wird und daß das sich hierbei ergebende Verbrennungsgemisch der Brennkraftanlage zur Verbrennung in dieser zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Außenluft mit der denitrifizierten Luft und den rückgeführten Abgasen in einem gesteuerten Mengenverhältnis während einer Betriebsbedingung vermischt wird, in der die Brennkraftanlage mit verhältnismäßig hoher Belastung betrieben wird.

3. Verfahren nach -Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

309825/0747

daß die Stickstoff-Abscheideeinrichtung einer Saugwirkung ausgesetzt wird, um die Stickstoffmoleküle, die in der Abscheideeinrichtung angelagert worden sind, abzuführen.

4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoff-Abscheideeinrichtung wenigstens zwei Einheiten aufweist, die im Zyklus der Saugwirkung ausgesetzt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis zwischen der denitrifizierten Luft und den rückgeführten Abgasen, die miteinander vermischt werden, im wesentlichen mit dem Verhältnis von Sauerstoff und Stickstoff in der Außenluft übereinstimmt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft, die durch die Stickstoff-Abscheideeinrichtung hindurchströmt, entfeuchtet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Luft, die durch die Stickstoff-Abscheideeinrichtung hindurchströmt, Kohlenstoffmonoxyde· abgetrennt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einein der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn-

309825/0747

zeichnet, daß eine Pumpe (24) zum unter Druck setzen eines Luftstromes vorgesehen ist, daß eine Stickstoff-Abscheideeinrichtung (50) vorgesehen ist, die derart ausgestattet ist, daß in ihr die Stickstoffmolekiile abgelagert werden, daß der Luftstrom beim Hindurchströmen durch die Stickstoff-Abscheideeinrichtung im wesentlichen denitrifiziert wird, daß wenigstens eine Leitung (34) für die denitrifizierte Luft vorgesehen ist, die von der Stickstof f -Absehe idee inrichtung ausgeht und dazu/ dient, die von der Abscheideeinrichtung abgegebene denitrifizierte Luft .abzuführen, daß eine mit einem'Ventil (40) versehene Rückführleitung (38) für die Abgase vorgesehen ist, die von dem Auspuffsystem (16, 18) der Brennkraftanlage ausgeht, um durch sie die Abgase von der Brennkraftanlage in einer gesteuerten Menge rückzuführen, daß eine Mischkammer (36) vorgesehen ist, in die die Leitung (34) für die, denitrifizierte Luft und die Leitung (38) für die rückgeführten Abgase einmünden und die zum Vermischen der denitrifizierten Luft und der rückgeführten Abgase in einem gesteuerten Mengenverhältnis dient, und daß ein Veririischungsdurchlaß (44) vorgesehen ist, der von der Mischkammer (36) zu einer Kraftstoffquelle (Vergaser 14). der Brennkraftanlage zum Vermischen der Mischung aus denitrifizierter Luft und rückgeführten Abgasen mit dem Kraftstoff zur Verbrennung in der Brennkraftanlage führt.

309825/0747

2:^7329

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Luftzuführleitung (50) vorgesehen ist, die von der Atmosphäre ausgeht und in die Mischkammer (36) einmündet, und daß ein Durchflußregler (i?2) in der zusätzlichen Luftzuführleitung angeordnet ist, um die Außenluft in einer gesteuerten Menge der Mischkammer zuzuführen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stickstoff-Abführleitung (46) vorgesehen ist, die von der Einlaßseite der Stickstoff-Abscheideeinrichtung (50) ausgeht, und daß in der Stickstoff-Abführleitung eine Saugpumpe (48) vorgesehen ist, deren Saugneite mit der Stickstoff-Abscheideeinrichtung in Verbindung steht und. deren Druckseite zur Atmosphäre hin geöffnet ist.

11. Vorrichtung nach -^nsnruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoff-Abscheideeinrichtung (30) wenigstens zwei voneinander getrennte Einheiten (JOa und 30b) umfaßt und daß abgezweigte Durchflußleitungen (28a und 28b) vorgesehen sind, die abwechselnd mit der Pumpe (24) und mit den wenigstens zwei Einheiten der Stickstoff-Abscheideeinrichtung sowie abwechselnd mit der ^tickstoff-Abüfhrleitung (46a bzw. 46b) in Verbindung bringbar sind, die abwechselnd von der Furane (24) abschaltbar sind.

309825/07A7

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführleitung (28) ein Paar Abzweigleitungen (28a und 28b) umfaßt, die eine Verbindung zwischen der Pumpe (24) und den Einlaßseiten der Einheiten (30a und 30b) der Stickstoff-Abscheideeinrichtung über : zugeordnete Absperrventile (54a bzw. 54b) vorsehen, daß . ein Paar Leitungen (34a und 34b) für die denitrifizierte Luft vorhanden ist, die eine Verbindung zwischen den Auslaßseiten der Einheiten der Stickstoff-AbRcheideeinrichtung und der Mischkammer (36) über zugeordnete Absperrventile (62a bzw. 62b) v,orsehen, daß ein Paar Stickstoff-Abführzweigleitungen (46a und 46b) vorhanden ist, die von den Luftzuführleituneen (28a bzw. 28b) zwischen den·darin angeordneten Absperrventilen (54a bzw. 54b) und den Einheiten (30a bzw. 30b) der Stickstoff-Abscheideeinrichtung ausgehen und die über zugeordnete Absperrventile (64a bzw. 64b) mit der Stickstoff-Abüfhrleitung (46) in Verbindung stehen, in der die Saugpumpe (48) eingegliedert ist, wobei die Absperrventile (54a und 62a), die einer (30a) der Einheiten zugeordnet sind, abwechselnd entsprechend den Absperrventilen (54b und 62b), die der anderen Einheit (30b) zugeordnet sind, geöffnet und geschlossen werden ' und wobei die Absperrventile (64a bzw. 64b) in den Stickstoff-Abführzweigleitungen (46a bzw. 46b) abwechselnd nacheinander geöffnet und geschlossen werden, wenn die Absperrventile (54a bzw. 54b) in den Luftzuführzweiglei-

3 0 9825/0747

m. UM. —

tungen (28a und 28b) und diejenigen (62a und 62b) in den Leitungen (34a bzw. 34b) für die denitrifizierte Luft geschlossen bzw, geöffnet werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Einheiten (30a und 30b) der Stickstoff-Abscheideeinrichtung um eine Achswelle (84) drehbar angeordnet und voneinander hermetisch abgeschlossen sind und daß den Luftzu- und -abfuhrZweigleitungen (28a, 28b, 34a bzw. 34b) öffnungen (80a bzw. 80b) zugeordnet sind, die im wesentlichen in einer Richtung parallel zur Drehachse der Einheiten durch die Stickstoff-Abscheideeinrichtung hindurch zueinander ausgerichtet sind, wobei die Öffnungen in ständiger Verbindung mit der Pumpe (24) bzw. der Abführleitung (34a bzw. 34b) für die denitrifizierte Luft stehen, und daß eine Öffnung(80b) im wesentlichen diametral gegenüber der öffnung (80a) juer zur Drehachse der Einheiten der Stickstoff-Abscheideeinrichtung vorgesehen let, die mit der Stickstoff-Abführleitung (46a bzw. 46b) in Verbindung steht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoff-Abscheideeinrichtung (30) eine äußere ortsfeste Trommel (78) mit im Abstand zueinander angeordneten Abschlußwinden (80 und 82) umfaßt, wobei eine (80) der Abschlußw^:inde darin ausgebildete Off-.

309825/0747

- *5 - . 225/329

nungen (80a und 80ΐ>) aufweist, die im wesentlichen zueinander gegenüberliep;end quer zur Achse der Trommel(78) angeordnet sind und die in ständiger Verbindung-mit der Pumpe (24) bzw. der Stickstoff-Abführleitung (4-6) stehen, und wobei die andere (82) der Abschlußwände eine darin ausgebildete Öffnung (82a) aufweist, die im wesentlichen in Sichtung der Achse mit der mit der Pumpe in Verbindung stehenden öffnung (80a) ausgerichtet ist und die in ständiger Verbindung mit der Leitung (34) für die denitrifizierte Luft steht, daß eine Achswelle (84) vorgesehen ist,_v die an ihren Endbereichen an den Abschlußwänden (80 und 82) drehbar gelagert ist und sich in Übereinstimmung mit der Achse der Trommel (78) erstreckt, und daß eine innere Drehtrommel (88) mit der Achswelle (84) innerhalb der äußeren ortsfesten Troaunel (78) drehbar angeordnet ist und mit im Abstand zueinander ausgebildeten Abdeckscheiben (90 und 92) versehen ist, wobei jede Abdeckscheibe eine Anzahl Ausnehmungen (90a bsw. 92a) aufweist, daß wenigstens eine Trennwand (96, 96* baw, 96") in der inneren Drehtrommel (88) zum Begrenzen von wenigstens zwei Kammern (94, 94' bzw. 94") angeordnet ist, die durch die Trennwand voneinander radial getrennt sind und sich in Längsrichtung der inneren Drehtrommel (88) erstrecken, und daß Stickstoff abscheidendes Material (104) in Jeder der Kammern eingebracht ist. ·

309 8 25/ 0 7A7

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar Dichtungselemente (106 und 108) vorgesehen ist, die zwischen den zugeordneten Abschlußwunden (80 bzw. 82) bzw. Abdeckscheiben (90 bzw. 92) der äußeren und inneren Trommel (78 und 88) eingefügt sind, um die Kammern (9^·, 94·' bzw. 9^") untereinander und von dem zylindrischen Zwischenraum zwischen der inneren und der äußeren Trommel hermetisch abzuschließen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoff-Abscheideeinrichtung (30) eine Packung aus vorbehandeltem Zeolith in Teilchenform enthält.

17. Vorrichtung nach Anspruch Θ, dadurch gekennzeichnet, d*ß die Stickstoff-Abscheideeinrichtung (30) eine für Stickstoff undurchlässige Membrane enthalt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Einrichtung (98, 98', 102) zum Entfeuchten der Luft vorgesehen ist, die durch die Stickstof f-Abscheideeinrichtung (30) hindurchströmt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Einrichtung (98, 98', 102) zum Abscheiden von Kohlenstoffmonoxyd aus der Luft vorgesehen

309825/0747

-47- 2267329

ist, die durch die Stickstoff-Abscheideeinrichtung (30) strömt.

309825/0747

Lee r seife