DE2901394A1

DE2901394A1 - Regelung der verbrennung in einer brennkraftmaschine, die unter verwendung von treibstoffen betrieben wird, die teilweise oxygenierte kohlenwasserstoffe enthalten

Info

Publication number: DE2901394A1
Application number: DE19792901394
Authority: DE
Inventors: John J Mooney
Original assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Current assignee: Engelhard Minerals and Chemicals Corp
Priority date: 1978-01-16
Filing date: 1979-01-15
Publication date: 1979-07-19
Also published as: IT1114325B; IT7947608A0; AU4340379A; PL212759A1; BE873331A; DD141337A5; GB2012356A; NL7900302A; AR226415A1; FI790069A; ES476756A1; SE7900345L; JPS54102422A; BR7900218A; FR2414625A1

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECK£R

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2901394 K. SCHUMANN

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IUXIMIUANSTRASSE *3

P 13 370

Regelung der Verbrennung in einer Brennkraftmaschine j die unter Verwendung von Treibstoffen betrieben wird, die teilweise oxygenierte Kohlenwasserstoffe enthalten

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Emissionsregel- bzw. -kontrollsystem für eine. Brennkraftmaschine (Explosionsmotor), wobei der Treibstoff (Kraftstoff) große Mengenanteile an teilweise oxygenierten (sauerstoffhaltigen) Komponenten, wie z. B. Alkoholen mit niedrigem Molekulargewicht, Äther oder Ketonen, die in der Regel 1 bis 4· Kohlenstoffatome pro Holekül aufweisen, enthält; die Erfindung betrifft insbesondere ein System, mit dessen Hilfe es möglich ist, ohne eine manuelle Einstellung an dem System eine optimale Verbrennung in der liähe des stöchiometrischen Verhältnisses zu erzielen bei Verwendung von Benzin mit großen Mengenanteilen an teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoff-

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fraktionen.

Es ist bekannt, ein Regelsystem mit geschlossenem Kreislauf zu verwenden, bei dem ein Sauerstoffsensor, der in den Abgasen angeordnet ist, ein Signal abgibt, das anzeigt, ob die Kombination zu reich oder zu arm an Treibstoff (Kraftstoff) ist. Dieses Sensorsignal steuert die Einstellung eines Luft/Treibstoff-Verhältnis-Eegelmechanismus in Richtung auf eir,e Anreicherung oder Verarmung des Treibstoffes, um so ein Luft/Treibst off-Verhältnis aufrechtzuerhalten, das nahe bei dem stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnis liegt· Diese Regelsysteme mit geschlossenem Kreislauf' ergeben bekanntlich eine automatische Kompensation für Veränderungen, die eine Folge des dynamischen Betriebs (Fahrens), als Folge von Änderungen der Luftdichte und sogar als Folge von geringen Änderungen des Treibstoffgehaltes zwischen Vinterkraftstoff und Sommerkraftstoff auftreten. Es war daher bekannt, daß dieses Regelsystem auf begrenzte Betriebsänderungen ansprechen kann zur Erzielung einer optimalen Verbrennung. Unter einer optimalen Verbrennung ist allgemein eine Verbrennung nahe bei einem Verhältnis zu verstehen, bei dem genügend Sauerstoff vorhanden ist, so daß dann, wenn die Verbrennung vollständig ist, der gesamte Treibstoff vollständig verbrannt wird zu Wasser und Kohlendioxid und bei dem kein Sauerstoff zurückbleibt. Dieses Verhältnis wird als stöchiometrisches Verhältnis bezeichnet.

Der normalerweise in Brennkraftmaschinen verwendete Treibstoff (Kraftstoff) besteht im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen als Treibstoffkomponenten. Entsprechend der üblichen Terminologie bezieht sich der hier verwendete Ausdruck "Kohlenwasserstoff" auf eine Verbindung, die nur

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Wasserstoff und Kohlenstoff enthält. Der hier verwendete Ausdruck "Kohlenwasserstoff-Benzin" bezieht sich, auf einen Treibstoff, dessen Treibstoffkomponenten im wesentlichen nur aus Kohlenwasserstoffen bestehen. Bei diesen Kohlenwasserstoffen handelt es sich normalerweise um die Alkan-, Alken- und cyclischen Kohlenwasserstoffe. Kohlenwasserstoff-Benzin wird normalerweise aus fossilen Treibstoffen, wie Erdöl, gewonnen.

In einigen Gebieten der Erde, in denen der Vorrat an Kohlenwasserstoff-Benzin begrenzt oder dieses teuer ist, stellt die Zugabe von wesentlichen Anteilen von leichter zugänglichen und billigeren Komponenten eine attraktive Möglichkeit zum Ersatz eines wesentlichen Anteils der Kc-hlenwasserstoffkomponenten dar. Bei diesen anderen Komponenten, wie z. B. Äthanol, Methanol, Propanol, Isopropylalkohol, Diäthyläther und Aceton, handelt es sich um Kohlenwasserstoff derivate insofern, als diese Komponenten wie das zugrunde liegende Alkoholmolekül Sauerstoff als Teil ihrer molekularen Grundstruktur enthalten. Diese Komponenten werden daher allgemein als teilweise oxygenierte (sauerstoffhaltige) Kohlen— wasserstoffkomponenten bezeichnet (nachfolgend stets als "teilweise oxygenierte Kohlemirasserstoffkomponenten" bezeichnet).

Zur Ausnutzung von Treibstoffen bzw. Kraftstoffen (nachfolgend stets als"Treibstoffe"bezeichnet), die große Mengenanteile an teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffen enthalten, muß das Motorsystem so eingestellt werden^ daß es sich an die Änderung der Eigenschaften anpaßt» Die erforderliche Hauptänderung besteht darin, das Verhältnis zwischen Treibstoff und Luft, das dem Motor durch das Kraftstoff-

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Zuführungssystem zugeführt wird, zu ändern.

Für eine wirksame Emissionskontrolle wäre es vorteilhaft, das Treibstoff/Luft-Verhältnis auf im wesentlichen das stöchiometrische Verhältnis einzustellen, so daß eine Ben— zinmischung aus Benzinkohlenwasserstoffen und teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffen praktisch vollständig verbrannt wird. Unter diesen stöchiometrischen Bedingungen könnte ein Drei-Wege-Konversionskatalysator dazu verwendet werden, die gasförmigen Verunreinigungen aus den Abgasen, d. h. Hg» CO und NO₇., zu eliminieren. Der für die vollständige Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs erforderliche Sauerstoffgehalt ist jedoch wesentlich verschieden von dem Sauerstoffgehalt, der für die vollständige Verbrennung einer teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffkomponente erforderlich ist,und wenn der Mengenanteil an teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffen erhöht wird, ist weniger Sauerstoff für die vollständige Verbrennung der Treibstoffmischung erforderlich.

Es wurde nun jedoch gefunden, daß ein geschlossenes Kreislauf-Regelsystem eine Möglichkeit zur automatischen Kontrolle bzw. Regelung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses in der Weise bietet, daß das Verhältnis auf einen Wert gebracht wird, bei dem eine optimale oder nahezu optimale Verbrennung sowohl der Kohlenwasserstoffkomponenten als auch der teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffkomponenten auftritt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eins Brennkraftmaschine, in der Treibstoff mit Kohlenwasserstoff-Benzin und einem wesentlichen Anteil an teilweise oxygenierten

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(sauerstoffhaltigen) Kohlenwasserstoffen, wie Äthanol oder Methanol, verwendet wird. Das System umfaßt eine geschlossene Kreislauf-Kontrolle für die Aufrechterhaltung einer Verbrennung unter stöchiometrischen oder nahezu stöchiometrxschen Bedingungen. Die geschlossene Kreislaufkontrolle umfaßt einen Sauer stoff sensor in dem Auspuff der Verbrennungskammer, der ein Zustandssignal abgibt, das anzeigt, ob die Verbrennung unterhalb oder oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses stattfindet. Das Zustandssignal wird won einem logischen Regelkreis oder einem Luft/Treibstoff—Verhal-fcnis-

Regelkreis verarbeitet zur Erzielung eines Kontrollsignals, das einen Xuft/^reibstoff-Verhältnis-Kontrollmechanismus bzw. -Regel mechanismus in einer solchen Richtung einstellt, daß

er das Luft/Treibstoff-Verhältnis innerhalb eines sehr engen Bereiches um das stöchiometrische Verhältnis herum nalt. Um den Pollutionsausstoß aus dieser Brennkraftmaschine minimal zu halten, wird ein Drei-Wege-Katalysator verwendet und die Wirksamkeit des Katalysators wird durch die geschlossene Kreislaufkontrolle optimal gestaltet·

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäBen Brennkraftmaschine wird eine Quelle für !Treibstoff, der Kohlenwasserstoff-Benzin und einen wesentlichen Anteil an teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffen, wie Äthanol und Hethanol, enthält, mit Luft in einem Verhältnis kombiniert, das bestimmt wird durch einen Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regel .mechanismus, um die Mischung so nahe wie möglich auf das stöchiometrische Verhältnis einzustellen. Die Mischung wird in eine Verbrennungskammer eingeführt. Ein Sauerstoff fsensor in dem Auspuff der Verbrennungskammer liefert ein Zustandssignal, welches anzeigt, ob die Auspuffgasmischung unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses (reich an

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Treibstoff) oder oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses (arm an Treibstoff) liegt. Dieses Zuständssignal wird auf einen Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regelkreis oder einen logischen Schaltkreis aufgegeben- der auf das Zustandssignal anspricht unter Abgabe eines geeigneten Kontrollsignals bzw.

Regel signals für den Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regelrtechanismus. Das Steuersignal (Regel signal) bewirkt, daß dieser Mechanismus das Luft/Treibstoff—Verhältnis in Richtung auf das stöchiometrische Verhältnis einstellt. Auf diese Weise kann ein einen wesentlichen Mengenanteil an teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffen enthaltender Treibstoff verwendet werden, während gleichzeitig die Verbrennimg bei dem stöchiometrischen Verhältnis oder sehr nahe bei dem stöchiometrischen Verhältnis gehalten wird. Infolgedessen kann ein Drei-Wege-Katalysator verwendet werden, um den Pollutionsgehalt der Abgase aus dem Innenverbrennungssystem auf wirksame Weise minimal zu halten.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches und mechanisches Blockdiagramm, das ein System darstellt, auf das die Erfindung angewendet wird; und

Fig. 2 eine graphische Darstellung des stöchiometrischen. Luft/Treibstoff-Verhältnisses als Funktion des Gehalts an Äthanol in Prozent in einer Äthanol/Benzin-Hischung.

Wie in der Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung dargestellt, umfaßt . die Brennkraftmaschine eine Verbrennungskammer

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10, die ein Luft/Treibst off-Gemisch verbrennt Tand dadurch ein Auspuffgas erzeugt, das schematisch bei 12 dargestellt ist. In dem Auspuff 12 ist ein bekannter Typ eines Sauerstoff sensors 14- angeordnet, der ein elektrisches Signal E1 mit einem Wert ergibt, der eine Funktion der Stöchiometrie des Auspuffgases 12 ist. Das abgegebene elektrische Signal E1 des Sauer st off sensors 14 wird auf einen Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regelkreis 22 aufgegeben. Dieser Regelkreis 22 wird hier nicht näher beschrieben, weil es viele bekannte

Regelkreise bzw. Schaltungen gibt, die diese Funktion erfüllen. Es können auch andere Eingangs signale für den Verhältnis-Regelkreis 22 verwendet werden, so daß der Säuerst off sensor 14 ein Signal E1 abgibt, das nur einen der Parameter repräsentiert, die ein Regelsignal (Kontrollsig— nal) E2 aus dem Regelkreis 22 beeinflussen können.

Eine Zuführungsquelle 16 für Luft und eine Zuführungsquelle 18 für Treibstoff (Kraftstoff) liefern die Luft bzw. den Treibstoff für den Luft/Treibstoff -Verhältnis-Regelmechanismus bzw. -Kontrollmechanismus 20. Bei dem aus der Treibstoffquelle 18 stammenden Treibstoff handelt es sich um einen solchen, der einen wesentlichen Anteil an teilweise oxygenierten Komponenten enthält. Wie in Verbindung mit der Fig. 2 weiter unten näher erörtert, ist hier unter einem wesentlichen Anteil einer teilweise oxygenierten Komponente eine Menge zu verstehen, die ausreicht, um einen wesentlichen Effekt auf die Stöchiometrie des Systems auszuüben.

Die Luft und der Treibstoff aus den Quellen 16 und .18 werden in einem durch den Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regelmechanismus 20 vorgegebenen Mengenverhältnis miteinander gemischt, so daß die Luft und der Treibstoff durch die

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Zuführungsleitung 21 in die Verbrennungskammer 10 in einem Verhältnis eingeführt werden, das durch die Einstellung des Ijfeg_e3;mechanismus 20 festgelegt wird· Die Einstellung des Regelmechanismus 20 ihrerseits wird mindestens teilweise bestimmt durch das Regelsignal E2 aus dem Regel kreis 22.

Der Regel-kreis 22 ist so angeordnet, daß dann, wenn das Output-Signal E1 des Sauerstoffsensors 14· eine Sauerstoffmenge anzeigt, die unterhalb derjenigen liegt, die bei der stöchiometrischen Verbrennung auftritt, das Regelsignal E2 so eingestellt wird, daß ein magereres Luft/Ereibstoff -Verhältnis erzeugt wird (d. h. die Treib st off menge in bezug auf die Luft menge * verringert wird), um eine etwa stöchiometrische Verbrennung herbeizuführen. In entsprechender Weise wird dann, wenn das Output-Signal E1 des Sauerstoffsensors 14- anzeigt, daß die Sauerstoff menge größer ist als diejenige, die bei der stöchiometrischen Verbrennung auftritt, das ,Regelsignal E2 so verschoben, daß es den Regelmechanismus 20 so einstellt, daß die Treibstoff menge in bezug auf die Luftmenge erhöht wird und so das Verhältnis wieder auf das stöchiometrische Verhältnis gebracht wird·

Auf diese Weise entsteht eine Anordnung vom geschlossenen Kreislauf-Servo-Regel-Typ, . die das Verhältnis nahe bei dem stöchiometrischen Verhältnis hält. Der normale Betrieb eines beliebigen Fahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine ist jedoch so, daß das Verhältnis um das sröchiometrische Verhältnis herum variiert· Wenn nun ein Drei-Wege-Katalysa— tor verwendet wird, um die Auspuff pollution minimal zu halten, so tritt eine Schwankung um das stöchiometrische Verhältnis herum auf, bei der der Betrieb vorzugsweise kontinuierlich oberhalb oder kontinuierlich unterhalb des

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stöchiometrischen Verhältnisses liegt, weil der Katalysator sowohl für den Betrieb oberhalb des stöchiometrischen "Verhältnisses als auch für den Betrieb unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses bestimmt ist.

Die derzeitigen weltweiten Forderungen nach einer neuen Energiequelle haben das Interesse an Alkohol als Streckmittel zum Ersatz eines bestimmten Mengenanteils von Kohlenwasserstoff-Benzin als Automobiltreibstoff bzw» -kraftstoff erneuert. Es besteht ein bestimmtes Interesse an durch Fermentation gewonnenem Äthanol oder an aus Kohle gewonnenem Methanol als Mischungsbestandteile in einem Motortreibstoff·

Die begrenzte derzeitige Verwendung von Alkohol/Benzin-G-emi— sehen erfolgt im allgemeinen in der Weise, daß man sich nicht bemüht, den signifikanten Unterschied in bezug auf die stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnisse der Treibst off komponenten zu kompensieren. Unter dem Wort "Benzin" ist hier "Kohlenwasserstoff-Benzin, wie oben definiert, zu verstehen. So weist beispielsweise handelsübliches, bleifreies Kohlenwasserstoff-Benzin ein stöchiometrisches Luft/-Treibstoff-Verhältnis von etwa 14,6 auf, während Äthanol ein stöchiometrisches Luft/Treibstoff-Verhältnis von 9»O aufweist. Wie aus der Fig. 2 zu ersehen, variiert das stöchiometrische Luft/Treibstoff-Verhältnis einer Äthanol/Benzin-Mischung linear zwischen diesen Werten· Darüber hinaus folgt ein konventioneller Benzinvergaser oder ein konventionelles Benzineinspritzungssystem einem Weg, der ähnlich der charakteristischen Treibstoffdosierungslinie gemäß Fig. 2 ist, wenn der Prozentsatz an Äthanol von O % (100 % Benzin) in einer Ithanol/Benzin-Mischung erhöht wird. Die Folge davon ist, daß konventionelle Vergaser, die für die Verwendung in

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Verbindung mit normalem Benzin hergestellt werden, in der Nähe eines stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnisses von 14,6 ein Luft/Treibstoff-Verhältnis von vielleicht 14,3 ergeben (vgl. die Fig. 1), wenn sie mit einer Mischung aus 30 % Äthanol und 70 % Benzin betrieben werden. Ein Luft/— Treibstoff-Verhältnis von 14-,J ist wesentlich ärmer an. Treibstoff als das stöchiometrische Luft/Treibstoff-Verhältnis von 12,8 für 30 % Äthanol und der Vergaser muß daher eingestellt werden, um den Treibstoff wirksam auszunutzen. Umgekehrt ist darin, wenn ein Vergaser auf die Hähe des stöchiometrischen Punktes für ein Äthanol/Benzin-Gemisch, mit 30 % Äthanol eingestellt wird, und dann das Fahrzeug mit 100 % Benzin betrieben wird, die dabei erhaltene Mischung reicher an Treibstoff und man erhält wesentlich höhere 00— und HO-Emissionen und es wird Energie verschwendet. Zu den Problembereichen, die mit der Verwendung dieser Alkohol/-Benzin-Gemische verbunden sind, gehören: (1) die Flüchtigkeit - die zu Kalt- und Wärmst art Schwierigkeiten führt, (2) die Verteilung der Mischung innerhalb des Motors, (3) die Wasseraufnahme und die Komponententrennung, (4) die Korrosion und der chemische Angriff am Treibstoffsystem und an den Motorsystemkomponenten und (5) die stöchiometrischen Unterschiede zwischen Alkohol und Benzin mit den zugehörigen Abgasemissionserwägungen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf diesen zuletzt genannten Punkt (5)·

Das geschlossene Kreislauf-Treibstoff-Dosiersystem, das durch die Fig. 1 repräsentiert wird, für die Verwendung zusammen mit den Drei-Wege-Konversionskatalysatoren (TWC-iKatalysatoren) bietet, wie sich aus den weiter unten diskutierten Tests ergibt, die Möglichkeit, niedrige Auspuffgasemissionen zu erzielen und das Treibstoffeinspritzungssystem

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automatisch auf die Unterschiede in bezug auf die Stöchiometrie zwischen einer Vielzahl von Treibstoffmischungskomponenten einzustellen. Durch diese neue Technologie können Treibstoffgemische, die bis zu mindestens 30 % Äthanol enthalten, in einem solchen System verwendet werden, während gleichzeitig die niedrigen Auspuffgasemiss ionen und zufriedenstellende Fahr eigenschaft en aufrechterhalten werden. Es ist daher zu erwarten, daß ein "Fahrzeug, das bei einer 30 % Äthanol/Benzin-Mischung auf eine optimale Systemleistung eingestellt ist, ein ähnliches Leistungsvermögen möglicherweise bei .+ 30 %, d. h. bei 0 % Äthanol bis 60 % Äthanol aufweist.

Der Drei-Wege-Konversions(TWC)-Katalysator 24 bewirkt die gleichzeitige Entfernung von HC, GO und MO aus dem Motorabgas. Hohe Prozentsätze an allen drei Pollutionsmitteln, die häufig 80 °/o oder mehr betragen, können auf diese Weise entfernt werden, wenn die Abgaszusammensetzung im Durchschnitt innerhalb eines engen Bereiches des Luft(Sauerstoff^Treibstoff -Verhältnisses bleibt, wie er in der Pig. 2 dargestellt ist. Obgleich die Luft/Treibstoff-Verhältnisse momentan stark variieren können, muß das durchschnittliche Verhältnis innerhalb jedes Betriebsdauerzeitraumes von einigen wenigen Sekunden innerhalb eines Bereiches von etwa 1 oder 2 Prozentpunkten auf jeder Seite des stöchiometrischen Luft/-Treibstoff-Verhältnisses für den verwendeten Treibstoff liegen, damit der TWC-Katalysator auf wirksame Weise HC, CO und Ν0_χ entfernen kann. Wenn beispielsweise das stöchiometrische Luft/Treibst off-Verhältnis für bleifreies Benzin, 14_S6 beträgt , so kann der erforderliche . Eegelbereicli etwa die Werte 14,45 bis 14,75 für das Luft/Treibstoff-Verhältnis umfassen. Die erfolgreiche Regelung des Luft/Treibstoff-

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Verhältnisses hängt von dem geschlossenen Kreislauf-Regelsystem (Regelkreis) ab, d. h. es hängt ab von einer Einrichtung, mit deren Hilfe der Sauerstoffgehalt des Abgases kontinuierlich überwacht und das Luft/Treibstoff-Verhältnis so eingestellt wird, daß die stöchiometrisehe Abgas zusammen— Setzung aufrechterhalten wird, die für den Betrieb des TWC-Katalysators erforderlich ist. Außerdem liegen, sowohl die wirtschaftliche Ausnutzung des Treibstoffes als auch die Leistung des Motors in der Nähe des Maximums, wenn das Luft/Treibstoff-Verhältnis bei dem stöchiometrischen Verhältnis gehalten wird. Der Sauerstoffgehalt des Auspuffgases 12, der in Beziehung zu dem Luft/Treibstoff-Verhältnis steht, wird mittels eines Sauerstoffsensors bestimmt, der am Ausgang der Auspuff-Rohrverzweigung angeordnet ist. Der Sauerstoffsensor spricht sehr schnell an, bestimmt die ■Änderungen in der Auspuffgas zusammensetzung innerhalb einer weniger Millisekunden und antwortet mit einer sehr steilen Spannungscharakteristik unabhängig von der Treibst off zusammensetzung an dem stöchiometrischen Punkt 1,00. Diese steil ansteigende Charakteristik erlaubt die Verwendung eines verhältnismäßig einfachen elektronischen Regelkreises 22 (oder eines Schaltkreises (einer logischen Einrichtung)) zur Erzeugung von Korrektursignalen E2 für einen Luf t/Treibstoff-Verhältnis-Regelmechanismus 20 und somit zur Einstellung einer Treibstoffeinspritzungseinrichtung oder eines Vergasers, um. die genaue geschlossene Kreislauf-Regelung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses aufrechtzuerhalten.

Testergebnisse

Es wurde ein Testprogramm durchgeführt, in dem mehrere

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Itlianol/Benzin- und einige Methanol/Benzin-Gemische zum Testen in einem 1977er Prototyp-Volvo-TWC-Katalysator-Eahrzeug verwendet wurden, dessen Motor nur für Benzin bestimmt war. Der Zweck der Tests war der, die Emissionen und das Fahrver— halten des Fahrzeugs zu untersuchen, um das Leistungsvermögen der bereits vorhandenen Regelsysteme mit geschlossenem Kreislauf zur Aufrechterhaltung eines stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnisses bei Verwendung der Testgemi— sehe zu bestimmen. Es wurde kein Versuch gemacht, den Zündzeitpunkt einzustellen oder anderweitig die geschlossene Kreislaufregelung und den TWC-Katalysator für die Verwendung der Äthanol/Benzin-Gemische zu optimieren. Das System an dem Volvo-Testfahrzeug war nämlich dazu bestimmt, die Neigung des Luft/Treibstoff -Verhältnisses mit zunehmender Höhenlage reicher an Treibstoff zu werden, zu kompensieren. Andererseits sollte ein System, das für Alkohol/Benzin-Gemische bestimmt ist, so gebaut sein, daß es das Luft/Treibstoff—Verhältnis genau in entgegengesetzter Richtung (arm an Treibstoff) kompensiert.

Fahrzeussystem

In dem Programm wurde ein Volvo-TWC-Katalysator-flJestwagen mit dem in Fig. 1 dargestellten Treibstoffingektionsregelsystem mit geschlossenem Kreislauf verwendet. Die spezifischen Fahrzeugdaten sind nachfolgend angegeben:

Fahrzeug: Volvo Modell 244, 4-Gang-Handschalt-ung

Motor: Volvo B 21, 4-Zylinder mit 2,11 Ver

drängung, keine Abgasrezyklisierung

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Treibstoffzuführungssystem :

Regelsystem mit geschlossenem Kreislauf:

R. Bosch K-Jetronic - !reibstoffeinspritzung

R. Bosch-Sauerstoffsensor (A -Sonde) und Schaltkreis (logische Einrichtung) Cdas Treib st off Zuführungssystem und das Regelsystem mit geschlossenem Kreislauf bildeten eine Einheit"]

Dynamometrisches 1350 kg (3000 Pounds) Trägheitsgewicht: _13>2 St_{1856n-58 (EHP}) _{bei 80 km}/h

(50 MPH) (einschließlich 10 % zusätzlichen PS für die Klimaanlage)

TWC-Katalysator: Engelhard PTX-516, TWC-16 (Katalysator-Volumen 1671,8 cm^ (102 inch^))

Sowohl der Engelhard-Katalysator als auch der R·.Bosch-Sauerstoffsensor waren zum Zeitpunkt des Beginns der Tests mit diesen Alkohol/Benzin-Gemischen weniger als 480 km (300 miles) in Betrieb gewesen. Es sei darauf hingewiesen, daß kein Versuch gemacht wurde, die Motor- oder Regelsystemparameter für die Alkohol/Benzin-Gemische zu optimieren·

Äthanol(und Methanol)/Benzin-MischunKskomponenten

Bei dem Benzin handelte es sich um einen bleifreien Treibstoff (Kraftstoff), der demjenigen sehr stark ähnelte, wie er von dem Environmental Protection Agency der Regierung der Vereinigten Staaten für Pahrzeugemissionstests vorgeschrieben ist. Bei dem Äthanol handelte es sich um ein kommerzielles denaturiertes Produkt und bei dem Methanol handelte es

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sich um ein solches von Reagensqualität. Die wesentlichen Eigenschaften der Treibstoffkomponenten waren folgende:

Das Äthanol bestand im wesentlichen zu 97 % aus Äthylalkohol, zu 1 % aus Äthylacetat, zu 1 % aus Methylisobutylketon und zu 1 % aus Flugbenzin.

Das Methanol war ein solches von Reagensqualität (99,9 %ig)«

Das verwendete bleifreie Benzin hatte die folgenden Eigenschaften:

Research-Octanzahl (ROH)	91,8
API-Dichte 60/60°F (15,6⁰C)	64
Dampfdruck 38°C (100⁰F)	0,59 kg/cm² (8,4 psi)
Pb-Gehalt	0,023 g/3,79 1 (1 gal)
Schwefelgehalt	3OO ppm
Pho sphorgehalt	0,5 ppm
ASTM-Destillation D-86 AnfangsSiedepunkt (IBP) 50 % Endsiedepunkt (EP)	37,2°C (99°F) 100⁰G (212°F) 204⁰C (400⁰E)

Durchführung der Tests

Es wurden Abgasemissionstests mit dem Volvo-WC—Katalysatoren estwagen mit den nachfolgend angegebenen Ithanol/Benzin-Ge» mischen (bezogen auf das Volumen) durchgeführt:

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loo s

90 S

80 J

70 S

60 S

50 5

ό Benzin

6 Benzin

ί Benzin

£ Benzin

b Benzin

^fa Benzin

0 °/o Äthanol 10 % Äthanol 20 % Äthanol 30 % Äthanol 40 % Äthanol 50 °/o Äthanol

Zur Bestimmung der Abgasemissionen wurde das TJS-Federal-Testverfahren angewendet. Außerdem wurde eine Reihe von kurzen dynamischen Fahrzyklen mit Jedem der obengenannten Gemische durchgeführt und zusätzlich wurde ein 60 % Äthanol/ % Benzin-Gemisch bewertet, um die Eigenschaften des Regelsystems mit geschlossenem Kreislauf näher zu untersuchen. Die Testdaten umfaßten die Aufzeichnung des Sauerstoffsensor— Outputs. Die Auspuffgasemissionstests wurden auch mit den nachfolgend angegebenen Methanol/Benzin-Gemischen (bezogen auf das Volumen) durchgeführt:

0 % Methanol 100 % Benzin

10 % Methanol 90 % Benzin

20 % Methanol 80 % Benzin

Testersebnisse

Die bei dem TJS-Federal-Testverfahren (FTP) erhaltenen Bmissionsergebnisse sind in der folgenden !Tabelle zusammen mit einem kurzen Kommentar bezüglich des Gesamtfahrverhaltens des Fahrzeugs während der Emissionstests auf dem Chassis—

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Dynamometer angegeben.

Die wichtigsten Aspekte der ίϊΡ-Eniissionstests sind die sehr niedrigen Eahrzeugeinissionen und die Tatsache, daß diese niedrigen Emissionen mit 30 % Äthanol in dem Treibstoffgemisch aufrechterhalten wurden. Die HC/CO/ETC^-Gehalte lagen in der Nähe von 0,2/3,0/0,1 g/mi bei Ausgangsemissionen (ohne Katalysator) von 0,93/13,68/2,4-7 g/mi. Im Vergleich zu den Tests mit 30 % Äthanol zeigten die ITP-Emissionstests bei 40 % und 50 % Äthanol einen Anstieg der 3J0_x-Emission und eine Abnahme der CO-Emission. Diese Beobachtung bezüglich, der CO- und HO -Emissionen stimmte mit einer Verschiebung der Regelung der Luft/Treibstoff-Verhältnis-Eegeleinrichtung mit geschlossenem Kreislauf in Richtung auf eine etwas magerere Mischung überein.

Tabelle

HC CO H0 (g/mil (g/ml) (p

Mischung

Bemerkungen

Grundlinie (ohne Katalysator)

0,93 15,68 2,47

100 % Benzin Grundlinie, Biindkonverter

Äthanol/Benzin-Gemische '

0,14 3,19 0,11 100 % Benzin

0,31 3,90 0,11

nur Benzin

10 % Äthanol/ ein Fehlstart Sack 3 90 % Benzin

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IO

Tabelle (Fortsetzung)

HC CO ITO

(κ/mi) (κ/rni) (pffmi) Mischung

Bemerkungen

0,24 2,77 0,14 20 % ÄthanolA

80 % Benzin

0,11 2,61 0,07

30 % Äthanol/. 70 % Benzin

0,14 ' 0,78 1,77 40 % Äthanol/, etwas schlechtere Pahr-

60 % Benzin eigenschaften

0,22 0,90 1,55 50 % Äthanol/, schlechte Fahreigen-

50 % Benzin schäften während starker Beschleunigungen

Methano l/Benzin-Gemische

0,14 3,19 0,11

0,16 3,20 0,09

0,15 3,20 0,05

100 % Benzin Grundsemisch nur Benzin

10 % Methanol/-90 % Benzin

20 % Methanol/-80 % Benzin

Wenn man die in Fig. 2 erläuterte Treibstoffdosiercharakteristik berücksichtigt, ergibt sich folgendes: Bei einem 40 % Äthanol/Benzin-Gemisch beträgt das erforderliche, durch einen geschlossenen Kreislauf geregelte stöchiometrische Luft/Treibstoff-Verhältnis für die TWC-Katalysatoraktivität 12,2, während das Luft/Treibstoff-Verhältnis ohne geschlossene Kreislauf-Regelung wahrscheinlich in der Bähe der charakteristischen Treibstoffdosierlinie bei etwa 14,0 liegen würde. Diese Differenz stellt eine beachtliche Heraus—

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förderung für das Regelsystem dar -und während des dynamischen Betriebs mit mehr als 30 % Ithanol ist es wahrscheinlich, daß das geschlossene Kreislaufsystem (wie eingestellt) nicht immer ein stöchiometrisches (λ = 1,00) Luft/Treibst off-Verhältnis einhalten kann, um einen maximalen TWC-Ka— talysator-TTmwandlungswxrkungsgrad für HC, CO und Ν0_χ aufrechtzuerhalten. Die Folge davon ist, daß sich das durchschnittliche Luft/Treibstoff-Verhältnis etwas zu dem mageren Bereich hin verschiebt, wobei der HO^TTmwandlungswirkungsgräd für den TV/C-Katalysator deutlich abnehmen sollte, während die CO- und HC-Umwandlungsgrade ansteigen· Die Daten in der vorstehenden Tabelle bestätxgen den erwarteten Trend für CO und HO . Die HC-Emissionen nehmen jedoch nicht weiterhin ab, wie angenommen. Die Erklärung für dieses HC-Verhalten ist verhältnismäßig kompliziert und bezieht sich direkt auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs (die Verzögerung und dergleichen) , das teilweise durch Einstellung des Motors verbessert werden kann.

Ein begrenzter Test wurde auch mit Methanol als Benzin— Streckmittel durchgeführt. Die in der Tabelle angegebenen Testdaten zeigen, daß Mischungen mit bis zu 20 % Methanol keinen Einfluß auf die Emissionsergebnisse im Vergleich zu der Grundmischung hatten. Obgleich ein weiterer Test erforderlich wäre, um die Betriebsgrenzen für Gemische von Methanol mit Benzin festzulegen, zeigen diese Ergebnisse, daß das TWC-Katalysatorsystem mit geschlossenem Kreis auch für variierende Methanol/Benzin-Gemische auf die gleiche Art und Weise wie vorstehend für Ithanol-Benzin-Gemische beschrieben anwendbar ist.

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Schlußfolgerungen

Die Schlußfolgerungen aus dieser Untersuchung bezüglich des Einflusses von Alkohol/Benzin-Treibstoffgemischen auf den Betrieb und die Auspuffgasemissionen eines TWC-Katalysator-IPahrzeuges mit geschlossenem Regelkreis sind folgende:

Bei einem Emission/Fahrzeug-System, das nur für den. Betrieb mit Benzin als Treibstoff bestimmt ist, können Äthanol/Benzin-Q?reibsto ff gemische, die mindestens 30 % Äthanol enthalten, bei einem ausgezeichneten Fahrzeugbetrieb und bei niedrigen HG-, CO- und NO -Auspuffgasemissionen verwendet wer-

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den, gemessen auf einem Chassis-Dynamometer unter Anwendung des US(i^lederal)-Emissions-Q?estverfahrens.

Im allgemeinen wurde eine gute Regelung (Steuerung) der HO- und CO-Emissionen bei Äthanol/Benzin-Gemischen mit bis zu 50 % Äthanol erzielt, das Fahrverhalten des Fahrzeugs wurde Jedoch bei einigen Arten des dynamischen Betriebs verschlechtert.

Methanol/Benzin-Treibstoffgemische, die bis zu 20 % Methanol enthielten, ergaben einen ausgezeichneten Fahrzeugbetrieb und niedrige HC-, CO- und NO -Abgasemissionen. Methanolkon-

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zentrationen oberhalb 20 % wurden nicht untersucht.

Es wird angenommen, daß dieses Fahrzeug, wenn es in bezug auf Leistung und Emissionsregelung auf einen Äthanol/Benzin-Treibstoff mit 30 % Äthanol optimal eingestellt würde, wahrscheinlich eine Regelung innerhalb des Bereiches von. _+ 30 % ermöglichen, d. h. mit einem 0/100 %-bis 60/40 #-Äthanol/-Benzin-Gemisch betrieben werden könnte.

Obwohl keine Versuche mit anderen Gemischen als den

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vorstehend genannten durchgeführt wurden, scheint es möglich, ein Eückführungs-Luft/Treibstoff-Eondensationssysteni zu entwickeln, das ein stöchiometrisches Verhältnis "bei Treibstoffgemischen innerhalb des Bereiches von 100 % Benzin bis 100 % Methanol oder Äthanol aufrechterhalten konnte.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorstehenden Erfindung verlassen wird.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Brennkraftmaschine ·, dW normalerweise mit Kohlenwasserstoff-Benzin betrieben wird, dadurch gekennzeichnet , daß das Verbrennungssystem umfaßt

(a) eine Verbrennungskammer (10) und einen Auspuff (12),

(b) eine Einrichtung zum Mischen von Luft mit .dem Treibstoff, der enthält oder besteht aus Kohlenwasserstoff-Benzin und einem wesentlichen Anteil mindestens eines teilweise oxygenierten (sauerstoffhaltigen) Kohlenwasserstoffs, die getrennte Zuführungsquellen (16, 18) für Luft und Treibstoff umfaßt,

(c) eine Luft/Treibstoff-Verhältnis-Segeleinrichtung (20), die mit mindestens einer der Zuführungsquellen (16, 18) gekoppelt ist, zur Regelung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses für die Verbrennung und

(d) einen Säuerst off sensor (14·), der mit dem Auspuff (12)

BAD ORIGINAL

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TELEGRAMME MONAPAT

TELEKOPIERER

des Verbrennungs syst ems gekoppelt ist und auf das stöchiometrische Verhältnis in dem Auspuffgas anspricht unter Abgabe eines Regelsignals (E2),

(e) wobei der Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regelmechanismus (20) mindestens teilweise auf das Regelsignal (E2) anspricht, welches die Regeleinrichtung (20) so einstellt, daß ein vorher festgelegtes durchschnittli— ches Luft/Treibstoff-Verhältnis erzielt wird,

(f) wodurch ein im wesentlichen durchschnittliches stöchiometrisches Luft/Treibstoff-Verhältnis für die Verbrennung des Treibstoffes, der einen wesentlichen Anteil an teilweise oxygenierten (sauerstoffhaltigen) Kohlenwasserstoffkomponenten enthält, automatisch, eingestellt wird.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem aufweist einen Oxidations- und Reduktionskatalysator (24), der mit dem Auspuff (12) des Verbrennungssystems gekoppelt ist, wobei der Betrieb dieses Systems einen normalen Zyklus für den Auspuff (12) ergibt, der schnell innerhalb einer vorher festgelegten begrenzten Abweichung von dem stöchiometrischen Verhältnis oszilliert.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung von dem stöchiometrischen Verhältnis zwischen + 2 % liegt.

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