DE4119272A1

DE4119272A1 - Filtersystem zur reduktion der kohlenwasserstoff-emission bei kraftfahrzeugen mit otto-motoren

Info

Publication number: DE4119272A1
Application number: DE19914119272
Authority: DE
Inventors: Hasso Von Bluecher; Ernest De Dr Ruiter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-06-12
Filing date: 1991-06-12
Publication date: 1992-12-17

Description

Kohlenwasserstoffe selbst sind in den in der Luft vorkommenden Mengen zwar kaum gefährlich, aber sie bilden unter Einfluß von Licht und Sauerstoff Peroxidver bindungen, die wiederum zur Bildung von weit schädlicheren Stoffen führen (Ozon, Stickoxiden, Schwefelsäureanhydrid usw.).

Da etwa 0,5-2% der in OTTO-Motoren verwendeten Kraftstoffe an diversen Stel len des Fahrzeuges an die Atmosphäre abgegeben werden, ist es verständlich, daß man sich Gedanken machte, diese Emission möglichst vollständig zu vermei den, und zwar insbesondere im Hinblick auf die noch immer zunehmende Anzahl von Kraftfahrzeugen.

Grundsätzlich treten an folgenden Stellen Kohlenwasserstoff-Emissionen auf:

- am Vergaser, insbesondere nach dem Abstellen des warmen Motors,
- am Tank, zufolge von Temperaturschwankungen (Tag/Nacht),
- am Tank beim Betanken.

In den USA machte man sich ab 1970 ernsthaft Gedanken. Wege zu finden, um die Kohlenwasserstoff-Emission möglichst zu reduzieren. Eine Übersicht der einschlä gigen Literatur befindet sich Ende der Beschreibung. Für die beiden erstgenannten Emissionen wurde ein Kanister entwickelt, der ca. 1 l Aktivkohlegranulat enthält. Hierin werden die austretenden Benzindämpfe adsorbiert. Beim Fahren wird Frischluft vom Motor im Gegenstrom durch den Filter angesaugt, und die dabei de sorbierten Kohlenwasserstoffe werden im Motor verbrannt. Eine wesentlich schwe rer in den Griff zu bekommende Emission tritt beim Betanken auf. Hierbei können innerhalb einer Minute bis zu 100 g Kohlenwasserstoffe - hauptsächlich Butan und Pentan - aus dem Tank verdrängt werden. Es wird zur Zeit versucht, diese relativ großen Mengen in einem "großen Kohlekanister" - man denkt etwa an 5 l Inhalt - zu adsorbieren und während des Fahrens in der bereits beschriebenen Art dem Motor zuzuführen.

Bei der Verwendung des 1 l-Kohlekanisters treten eine Reihe von Problemen auf, wie z. B. Blockieren der Adsorptions-Poren durch höher siedende Bestandteile bzw. durch Feuchtigkeit, die mit der Zeit die Wirksamkeit des Filters stark beein trächtigen. Diese können der Literaturübersicht entnommen werden und werden an dieser Stelle nicht weiter diskutiert.

Insbesondere bei Versuchen mit dem 5 l-Kanister (der auch die beim Betanken auf tretende Emission vermeiden soll) trat ein neues Problem auf, welches noch nicht gelöst werden konnte und welches grundsätzlich bei jedem mit Aktivkohle arbeiten den System, bei dem im Gegenstrom desorbiert wird, auftritt.

Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, für dieses Problem eine Lösung zu anzu bieten. Das Problem ist folgendes:

Die Desorption des mit Kohlenwasserstoffen beladenen Kohlekanisters erfolgt nicht gleichmäßig, sondern in Form einer sehr ausgeprägten Spitze zu Beginn des Desorptionszyklus, sehr schnell gefolgt von einem starken Abfall der desorbierten Menge Kohlenwasserstoffe. Das Phänomen ist leicht zu erklären: Am Eingang des Filters ist die Aktivkohle gesättigt. Wird im Gegenstrom desorbiert, wird dort relativ viel Kraftstoff freigesetzt, der ohne jede Verzögerung zum Motor gelangt. Bei den bisherigen Versuchen mit kleinen Kohlekanistern, die nur relativ geringe Mengen Kraftstoff speichern und wieder abgeben konnten, schien das Auftreten der be schriebenen Konzentrationsspitze nicht sehr schwerwiegend. Der Trend geht aber zu 4-5 l großen Kanistern, wo in kurzer Zeit 100 g Kohlenwasserstoffe und mehr desorbiert werden können. Das führt zu einer nicht mehr vertretbaren Anreicherung des Kraftstoff-Luft-Gemischs, welche nicht nur zu schlechten Laufeigenschaften, sondern auch zu einer Funktionsstörung des Katalysators führt. Rein theoretisch könnte man die für die Desorption des Filters benötigte Luft über die Lambdasonde steuern, was aber relativ kompliziert ist. Wesentlich einfacher ist die erfindungs gemäße Problemlösung. Bei dieser wird der vom Hauptfilter desorbierte Kraftstoff über einen kleinen, noch unbeladenen Adsorptionsfilter mit geringem Rückhalte vermögen geführt, der eine Verzögerung - und somit Glättung der Konzentrations spitze - bewirkt.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der klassischen Ausführung des Filtersystems. Beim Be tanken und bei stillstehendem Motor ist das Ventil V₁ offen und V₂ ge schlossen. Die mit Kohlenwasserstoffen gesättigte Luft, die z. B. beim Be tanken verdrängt wird, gelangt durch die Rohrleitung R₁ über den Adsorptionsfilter F₁ ins Freie. Bei der Desorption ist V₁ geschlossen und V₂ offen. Dabei wird vom Motor durch die Leitung R₂ Frischluft durch den Filter gesaugt, welche die dort adsorbierten Kohlenwasserstoffe aufnimmt, um sie dem Motor zuzuführen.

Fig. 2 zeigt ein typisches Konzentrationsprofil in Funktion der Zeit.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung mit einem zusätzlichen Adsorp tionsfilter F₂, welcher nicht nur wesentlich kleiner als F₁ ist, sondern auch bevorzugterweise mit Adsorbentien mit geringerer Affinität zu Kohlenwas serstoffen ausgestattet ist.

Fig. 4 zeigt, wie dadurch die ungünstige Kohlenwasserstoff-Spitzenkonzentration der Fig. 2 abgebaut wird. Die Kapazität des Zusatzfilters ist so gestaltet, daß es praktisch sofort zu einem teilweisen Durchbruch kommt. Als für die Er findung gut geeignet erwiesen sich, neben großporiger Aktivkohle, "poröse Polymere", die oft auf Styrol/Divinylbenzol-Basis aufgebaut sind, sowie hydrophobe Molekularsiebe. Dabei werden solche mit großen Mikroporen, beispielsweise <10 Å, insbesondere <20 Å, bevorzugt. Solche Adsorben tien sind dem Fachmann bekannt. Grundsätzlich eignet sich jede Filterform, z. B. auch die heute verwendeten Schüttfilter. Wegen einer Reihe von Vorteilen wird jedoch eine Anordnung, wie sie in der Deutschen Offen legungsschrift DE 38 13 563 A1 beschrieben ist, bevorzugt. Dabei sind (meist kugelförmige) Adsorberteilchen mit ⌀ 0,3-1,0 mm an einer dreidi mensionalen Trägermatrix, z. B. an den Stegen eines großporigen, retiku lierten PU-Schaumes mit Hilfe einer Haftmasse, fixiert.

Die Desorption des Zusatzfilters F₂ erfolgt nach der Desorption des Haupt filters F₁.

Claims

1. Filtersystem zur Vermeidung der Kraftstoffemission von Kraftfahrzeugen mit OTTO-Motoren auf Basis eines Adsorptionsfilters, der beim Fahren durch vom Motor angesaugte Frischluft im Gegenstrom wieder desorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Desorption auftretende Kohlenwasserstoff- Konzentrationsspitze durch einen nachgeschalteten Adsorptionsfilter abgebaut wird.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die körnigen oder kugel förmigen Adsorbentien eine Teilchengröße von ca. 0,3-1,0 mm aufweisen und mit einer Haftmasse an einer dreidimensionalen Matrix, vorzugsweise ein reti kulierter großporiger PU-Schaum, fixiert sind.

3. Filtersystem nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorbens Aktivkohle ist.

4. Filtersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche da durch gekennzeichnet, daß das Adsorbens poröse Polymere, bevorzugter weise auf Basis Styrol/Divinylbenzol, sind.

5. Filtersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche da durch gekennzeichnet, daß das Adsorbens ein hydrophober Zeolith ist.

6. Filtersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche da durch gekennzeichnet, daß die Mikroporen der Adsorber verhältnismäßig groß sind und sich im Bereich von 10-100 Å bewegen.

7. Filtersystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche da durch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Filter im Vergleich zum Hauptfilter eine 3-10 mal kleinere Kapazität besitzt.