-
-
Abgasreinigungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
-
Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasreinigungsvorrichtung
für eine Brennkraftmaschine. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Abgasreinigungsvorrichtung
mit einer Lufteinspeisevorrichtung zur Einspeisung zusätzlicher Luft, damit dreifach
wirkende Katalysatoren mit hohem Reinigungswirkungsgrad arbeiten können.
-
In der Regel muß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases einer
Brennkraftmaschine innerhalb eines sehr engen Bereiches um das stöchiometrische
Luft-Kraftstoff-Verhältnis gehalten werden, damit ein sogenannter drei fach wirkender
Katalysator mit hohem Reinigungswirkungsgrad arbeitet. Unter einem dreifach wirkenden
Katalysator wird ein Katalysator verstanden, der mit demselben Katalysatorbett sowohl
Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe oxidiert als auch Stickoxide reduziert,
so daß dadurch die Schadstoffbestandteile entfernt werden.
-
Mit herkömmlichen Steuervorrichtungen für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
allein ist es jedoch äußerst schwierig, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases
unter allen Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine innerhalb dieses engen
Bereiches zu halten. Steuervorrichtungen, die so ausgelegt sind, daß ein Luftverhältnisfühler
den Sauerstoffgehalt des Abgases feststellt, der sich entsprechend den Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine ändert, und daß aufgrund des Signals vom Fühler die Einspeisung
zusätzlicher Luft so gesteuert wird, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases
auf dem optimalen Wert gehalten wird, führen zu verhältnismäßig komplizierten Systemen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Abgasreinigungsvorrichtung
zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von
Patentanspruch 1 gelöst.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet in der Weise, daß zusätzliche
Luft intermittierend stromauf eines dreifach wirkenden KaWalysators eingespeist
wird, wodurch es möglich ist, in einem breiteren Bereich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses
zu ariten, so daß die praktisch erzielte Reinigungswirkung des dreifach wirkenden
Katalysators erhöht ist.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es
zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Aus führungs form;
Figur
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform; und Figur 3 ein Diagramm,
das die Beziehung zwischen der Reinigungswirkung und dem mittleren Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases wiedergibt.
-
Zunächst wird auf Figur 1 eingegangen, die eine erste Ausführungsform
zeigt. Die in Figur 1 dargestellte Anlage umfaßt eine Brennkraftmaschine 1, einen
Luftfilter 2, einen Vergaser 3, eine Saugleitung 4 und eine Abyasleitung 5. In bekannter
Weise dosiert der Vergaser 3 die Kraftstoffmenge, d.h. der durch das Luftfilter
2 angesaugten und von einer Drosselklappe 6 gesteuerten Luftmenge wird im Vergaser
3 eine entsprechende Kraftstoffmenge zugegeben, die mit der Luft gemischt wird.
Das Gemisch wird dann über die Saugleitung 4 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt.
Nachdem das Gemisch in der Brennkraftmaschine 1 verbrannt worden ist, werden die
resultierenden Abgase durch die Abgasleitung 5 an die Umgebung abgegeben. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
wird vom Vergaser 3 so gesteuert, daß es kleiner als das stöchiometrische Luft-Kraftstof-f-Verhältnis
ist. Ferner umfaßt die in Figur 1 dargestellte Anlage einen in der Abgasleitung
5 angeordneten Abgasreaktor 10, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem
drei fach wirkenden katalytischen Wandler besteht, der in einen ersten Katalysator
10einen zweiten Katalysator 1Ob und einen dritten Katalysator 10c unterteilt ist.
In bekannter Weise ist der dreifach wirkende Wandler so ausgebildet, daß er die
Oxidation bzw. Reduktion von im durchströmenden Abgas enthaltenem Kohlenmonoxid,
unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden fördert, so daß der Gehalt an
diesen giftigen Abgasbestandteilen verringert wird. Insbesondere kann der Gehalt
an Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden dann mit besonders
hohem Reinigungswirkungsgrad verringert werden, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases dem stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-VerhaJtnis nahe ist.
-
Die dargestellte Anlage umfaßt ferner eine zusätzliche Lufteinspeisevorrichtung
20, die eine von der Brennkraftmaschine
1 angetriebene Luftpumpe
21 und eine Hauptleitung 22 umfaßt, durch die die von der Luftpumpe 21 gelieferte
Druckluft weitergeleitet wird. Die Hauptleitung 22 ist in eine erste Zweigleitung
22a, eine zweite Zweigleitung 22b und eine dritte Zweigleitung 22c aufgezweigt,
die jeweils stromauf eines zugeordneten Katalysators des Abgasreaktors 10 münden,
d.h. die Zweigleitungen münden an verschiedenen Stellen in Strömungsrichtung des
Abgases. Von der Hauptleitung 22 gehen ferner eine Überdruckleitung 23, die mit
der Saugseite der Luftpumpe 21 verbunden ist, sowie eine Bypassleitung 24 ab, die
zur Umgebung führt. In der Bypassleitung 24 ist ein den Luftdurchfluß steuerndes
Steuerventil 30 angeordnet, das eine zur Umgebung führende Öffnung 25 mehr oder
weniger öffnen und schließen kann. Das Steuerventil 30 wird von einer Membran 31
betätigt, die in Abhängigkeit vom Unterdruck in der Saugleitung der Brennkraftmaschine
1 ausgelenkt wird. Das Steuerventil 30 und die Membran 31 bilden eine Durchflußsteuereinrichtung
zur Steuerung der Menge zusätzlicher Luft, die in die Abgasleitung 5 durch die Hauptleitung
22 entsprechend der der Brennkraftmaschine 1 zugeführten Luftmenge eingespeist wird.
In jeder der Zweigleitungen 22a, 22b und 22c befindet sich eine Drosselstelle, die
den Durchfluß der durchströmenden Luft steuert. Die Hauptleitung 22 ist an einen
Auf-Zu-Regler 60 angeschlossen, der die Hauptleitung 22 mit bestimmter Frequenz
öffnet und schließt.
-
Der Auf-Zu-Regler 60 umfaßt ein Absperrventil 40, das die Hauptleitung
22 öffnen und schließen kann. D.ls Absperrventil 40 wird von einer mit ihm verbundenen
Membran 41 betätigt, die entsprechend der Druckdifferenz zwischen zwei Membrankammern
42 und 43 ausgelenkt wird. Die Membrankammern 42 und 43 werden alternierend mit
Unterdruck und atmosphärischem Druck oder Überdruck beaufschlagt, wobei dies mit
Hilfe
von Magnetventilen 44 und 45 erfolgt, die von elektrischen Signalen eines selbsterregten
Schwing,.reises 50 gesteuert werden, so daß das Absperrventil 40 periodisch geöffnet
und geschlossen wird.
-
Im folgenden wird die Funktionsweise der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform erläutert. Bei Betrieb unter niedriger Last ist der Saugleitungsunterdruck
hoch, so daß die Membran 31 nach unten (in Figur 1) ausgelenkt ist und daher die
Offnung 25 weit geöffnet ist. Bei zunehmender Belastung sinkt der Saugleitungsunterdruck,
so daß entsprechend der freie Strömungsquerschnitt der Öffnung 25 abnimmt. Die Menge
in die Abgasleitung 5 durch die Hauptleitung 22 strömender, zusätzlicher Luft ist
daher praktisch proportional zur in die Brennkraftmschine 1 angesaugten Luftmenge.
Die zusätzliche Luftmenge ist so eihgestellt, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases auf einem Wert oberhalb des stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses,
nämlich bei einem Luftverhältnis X > 1, gehalten wird. Die zusätzliche Luft wird
durch die drei Zweigleitungen 22a, 22b und 22c eingespeist, so daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases im Abgasreaktor 10 zunimmt, während das Abgas von stromauf nach stromab
strömt.
-
Es sei beispielsweise angenommen, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des im Vergaser 3 erzeugten Gemischs auf 13,5 eingestellt ist und daß die gesamte
zusätzlich eingespeiste Luftmenge auf 2,6/13,5 der Ansaugluftmenge eingestellt ist.
Ferner sei angenommen, daß die durch die Zweigleitungen 22a, 22b und 22c strömenden
zusätzlichen Luftmengen eingestellt sind auf 1,8/13,5 bzw. 0,4/13,5 bzw. 0,4/13,5.
Wenn durch die erste Zweigleitung 22a zusätzliche Luft eingespeist wird, ergibt
sich somit im ersten Katalysator 10a ein Luft-Kraft-
stoff-Verhältnis
des Abgases von ungefähr 15,3 (#>1); wenn zusätzliche Luft durch die zweite Zweigleitung
22b eingespeist wird, ergibt sich im zweiten Katalysator 1 Ob ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases von ungefähr 15,7; wenn zusatzliche Luft durch die dritte Zweigleitung
22c eingespeist wird, ergibt sich im dritten KatalysaLor 10c ein Luft-ECraftstoff-Verhältnis
des Abgases von ungefähr 16,1. Demzufolge variieren die Luft:-Kraftstoff-Verhältnisse
des dem ersten, zweiten und dritten Katalysator 10a bzw. 1 Ob bzw. 10c zugeführten
Abgases im Bereich zwischen 13,5 und 15,3 bzw. 13,5 und 15, 7 bzw. 13,5 und 16,1,
wobei @@@ stöchiometrische Verhältnis jeweils innerhalb dieses Bereiches liegt.
-
Es versteht sich, daß die Einspeisung einer bestimntten Menge zusätzlicher
Luft durch die zweite und dritte Zweigleitung 22b bzw. 22c in der Weise erfolgen
muß, daß die zus?zliche Luft jeweils eingespeist wird, wenn das LuEt-Kraftstoff-Verhältnis
des von stromauf in den Katalysator 1 Ob bzw. 10c einströmenden Abgases jeweils
seinen höheren Wert hat.
-
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fi(jur 2 die zweite Ausführungsform
beschrieben. Bei dieser Aus führungs form umfaßt der Abgasreaktor 10 wie der Abgasreaktor
gemäß der ersten Ausführungsform einen dreifach wirkenden katalytischen Wandler,
der in ein erstes katalytisches Bett 101, ein zweites katalytisches Bett 102 und
ein drittes katalytisches Bett 103 unterteilt ist. Entsprechend der ersten Ausführungsform
münden die erste Zweigleitung 22a, die zweite Zweigleitung 22b und die dritte Zweigleitung
22c jeweils stromauf des katalytischen Betts 101 bzw. 102 bzw. 103. Allerdings ist
lediglich die Zweigleitung 22a, die vor dem am weitesten stromauf gelegenen katalytischen
Bett 101 mündet, an den Auf-Zu-Regler 60 angeschlossen, der die Zweigleitung 22a
öffnen
und schließen kann. Im übrigen ist die zweite Ausführungsform gleich ausgebildet
wie die erste Ausführungsform.
-
Im folgenden wird die Funktionsweise der zweiten Ausführungsform beschrieben.
Die zusätzliche Luft wird durch die erste Zweigleitung 22a intermittierend eingespeist,
wogegen sie durch die zweite Zweigleitung 22b und die dritte Zweigleitung 22c kontinuierlich
eingespeist wird. Es sei beispielsweise angenommen, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des vom Vergaser 3 erzeugten Gemischs auf 13,4 eingestellt ist und daß bei geöffnetem
Absperrventil 40 durch die erste Zweigleitung 22a zusätzliche Luft in einer Menge
von 1,8/13,4 der Ansaugluftmenge strömt. Die Menge der durch die zweite Zweigleitung
22b und die dritte Zweigleitung 22c strömenden zusätzlichen Luft ist jeweils auf
ungefähr 0,5/13,4 der Ansaugluftmenge eingestellt. Da die zusätzliche Luft durch
die erste Zweigleitung 22a intermittierend eingespeist wird, variiert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases im katalytischen Bett 101 periodisch zwischen 13,4 und 15,2, wobei das
mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases zu 14,3 wird (X<1). Da die zusätzliche
Luft kontinuierlich durch die zweite Zweigleitung 22b eingespeist wird, variiert
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases im zweiten katalytischen Bett 102 periodisch
zwischen 13,9 und 15,7, so daß das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases
dort zu 14,8 wird ( 96=1). Auf entsprechende Weise variiert das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases im dritten katalytischen Bett 103 periodisch zwischen 14,4 und 16,2,
wobei das mittlere Luft-Kraftstoff-VerhAltnis des Abgases zu 15,3 wird ( A (1).
-
Auf diese Weise ändert sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases
in den katalytischen Betten 101, 102 und 103 jeweils periodisch innerhalb eines
Bereiches, der das stöchio-
metrische Luft-Kraftstoff-Verhältnis
einschließt, so daß in einer oxidierenden Atmosphäre (sauerstoffreichen Atmosphäre),
wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases groß ist, Sauerstoff (02) am Katalysator
mikroskopisch adsorbiert wird, wodurch eine reduzierende Atmosphäre auf der Katalysatoroberfläche
erzeugt und dadurch der Reinigungswirkungsgrad für Stickoxide verbessert wird, und
so daß in einer reduzierenden Atmosphäre (sauerstoffarmen Atmosphäre), wenn das
Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases niedrig ist, eine Oxidationsreaktion zwischen
dem adsorbierten Sauerstoff (02) und Kohlenmonoxid sowie unverbrannten Kohlenwasserstoffen
abläuft, wodurch der Reinigungswirkungsgrad für Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe
verbessert wird. In Figur 3 ist in Abhängigkeit vom mittleren Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases die Reinigungswirkung für die verschiedenen Schadstofabestandteile dargestellt,
und zwar mit ausgezogenen Linien für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der
das Luft-Kraftstoff-Verhältnis periodisch variiert, und gestrichelten Linien für
eine herkömmliche Vorrichtung ohne periodische Variation des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses.
Wie Figur 3 zeigt, ist für die erfindungsgemäße Vorrichtung zwar die Reinigungswirkung
etwas niedriger an den Schnittpunkten (beim stöchiometrischen Luft-Kraftstoff-Verhältnis,
; =1) der Kurven für die Schadstoffbestandteile Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte
Kohlenwasserstoffe (HC) und Stickoxide (NOx) der herkömmlichen Vorrichtung; dagegen
ist die Reinigungswirkung wesentlich besser bei mittleren Luft-Kraftstoff-Verhältnissen,
die entweder größer oder kleiner als das stöchiometrische l.uft-Kraftstoff-Verhältnis
sind, d.h. bei magereren und fetteren Gemischen.
-
Dementsprechend wird das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases
im ersten katalytischen Bett 101 niedriger als
das stöchiometrische
Verhältnis gehalten, was zur Folge hat, daß Stickoxide mit sehr hoher Reinigungswirkung
gereinigt werden. Das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases im zweiten
katalytischen Bett 102 wird ungefähr beim stöchiometrischen Verhältnis gehalten,
so daß alle drei Schadstoffbfstandteile gereinigt werden, und das mittlere Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases im dritten katalytischen Bett 103 wird größer als das stöchiometrische
Verhältnis gehalten, so daß sowohl Kohlenmonoxid als auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe
mit sehr hoher Reinigungswirkung gereinigt werden und die Reinigungswirkung des
Abgasreaktors 10 insgesamt sehr hoch ist.
-
Auch bei der zweiten Ausführungsform kann der Abgasreaktor 10 wie
bei der ersten Ausführungsform aufgeteilt sein. Ferner kann das Absperrventil 40
durch Mittel ersetzt sein, die Luft intermittierend liefern, beispielsweise eine
membranbetätigte Pumpe, eine Kolbenluftpumpe oder dergleichen, so daß zusätzliche
Luft durch die erste Zweigleitung 22a intermittierend eingespeist wird. Ferner reicht
es auch aus, wenn sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ds Abgases im katalytischen
Bett 101 bzw. 102 bzw. 103 innerhalb eines Bereiches, der das stöchiometrische Luft-Kraftstoff-Verhaltnis
einschließt, von der "fetten Seite" zur "mageren Seite" ändert, so daß demzufolge
die benötigte zusätzliche Luft intermittierend statt durch die erste Zweigleitung
22a auch durch eine beliebige andere der übrigen Zweigleitungen 22b und 22c eingespeist
werden kann.
-
Die Abgasreinigungsvorrichtung umfaßt mehrere dreifach wirkende Katalysatoren,
die in der Abgasleitung hintereinatuder in Strömungsrlchtung des Abgases angeordnet
sind. Ferner ist eine Lufteinspeisevorrichtung zur Einspeisung zusätzlicher
Luft
durch Speiseleitungen bzw. Zweigleitungen jeweils stromauf der drei fach wirkenden
Katalysatoren vorgesehen. Zumindest einem der drei fach wirkenden Katalysatoren
wird die zusätzliche Luft intermittierend in der Weise zugeführt, daß das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Abgases periodisch innerhalb eines Bereiches variiert, der das sti-hiometrische
Luft-Kraftstoff-Verhältnis einschließt.
-
Leerseite