DE69400956T2

DE69400956T2 - Betrieb einer internen brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69400956T2
Application number: DE69400956T
Authority: DE
Inventors: Thomas Ma
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1993-04-15
Filing date: 1994-02-16
Publication date: 1997-03-13
Anticipated expiration: 2014-02-17
Also published as: GB9307781D0; US5685144A; WO1994024423A1; GB2277045A; DE69400956D1; EP0694118B1; EP0694118A1

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft den Betrieb eines Verbrennungsmotors, der mit einem Katalysator ausgerüstet ist und ein Abgaszündungssystem zur Verkürzung der Anspringzeit des Katalysators besitzt.

Hintergrund der Erfindung

Die PCT-Anmeldung WO 92/22734, für den die vorliegende Erfindung eine Verbesserung darstellt, offenbart ein Verfahren zur Verringerung der Gesamtemissionen bei Kaltstartvorgängen eines Motors, der Kraftstoff auf Kohlenwasserstoffbasis verbrennt, und in dem ein Nachbrenner auf der Eintrittsseite eines Katalysators angeordnet ist. Das Verfahren umfaßt die Schritte des Hinzufügens eines Kraftstoffüberschusses zur Brennstoffladung des Motors und des Hinzufügens von Luft zu den Abgasen, um sicherzustellen, daß direkt nach der ersten Motorzündung im Abgas/Luftgemisch ausreichende Konzentrationen von Wasserstoff und Sauerstoff vorhanden sind, damit das sich ergebende Abgas/Luftgemisch gezündet werden kann und mit gleichmäßiger Flamme im Nachbrenner verbrennen kann, wobei sich letzterer auf einer Temperatur nahe der Umgebungstemperatur befindet, sowie des Zündens des Abgas/Luftgemisches im Nachbrenner direkt nach der ersten Motorzündung.
Eine Schwierigkeit, die bei obigem Betriebsverfahren für einen Motor auftritt, besteht darin, daß das Gemisch, das während der Kaltstartvorgänge benötigt wird, so fett ist, daß es unerwünschte Nebenwirkungen wie Zündkerzenverschmutzung und instabiles Fahrverhalten verursachen kann. Aus diesen Gründen kann der Zustand der Abgaszündung nur über einen relativ kurzen Zeitraum nach der ersten Motorzündung aufrechterhalten werden, und dies führt dazu, daß nur eine relativ dünne Schicht der Katalysatormatrix auf ihre Anspringtemperatur erwärmt wird. Danach ist es nötig, den Betrieb mit einem veränderten Zustand fortzusetzen, um sicherzustellen, daß diese Schicht heiß bleibt, und daß der Rest der Katalysatormatrix auf seine Anspringtemperatur gebracht wird.

Gegenstand der Erfindung

Daher beabsichtigt die vorliegende Erfindung, ein Betriebsverfahren für einen Motor bereitzustellen, das es erlaubt, daß die Abgaszündung im Motor bei Kaltstartvorgängen mit einem gemäßigteren Anreicherungsgrad mit Kraftstoff verläuft.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Betriebsverfahren für einen Motor bereitgestellt, der einen Nachbrenner sowie einen Katalysator auf der Austrittsseite des Nachbrenners aufweist, das die Schritte des Einführens einer genügenden Menge an überschüssigem Kraftstoff in den Motor umfaßt, damit sich Kraftstoffbestandteile wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Wasserstoff in den Abgasen bilden können, sowie des Abfangens der unverbrannten Kohlenwasserstoffe auf der Eintrittsseite des Nachbrenners, damit im wesentlichen nur Kohlenmonoxid und Wasserstoff den Nachbrenner erreichen können, des Einführens einer genügenden Menge zusätzlicher Luft in das Auspuffsystem, um das aus lediglich Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Luft bestehende Gemisch auf die stöchiometrische Zusammensetzung oder auf eine magerere Zusammensetzung zu bringen, wobei die resultierende Konzentration von Wasserstoff und Sauerstoff in dem Gemisch, das den Nachbrenner erreicht, zur Zündung unmittelbar nach einem Kaltstart ausreicht, des Zündens des Gemisches im Nachbrenner durch eine Zündquelle, des Freisetzens der abgefangenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe in den Nachbrenner nach der Zündung und des Einführens einer ausreichenden zusätzlichen Luftmenge in das Auspuffsystem, um das Gemisch aus den freigesetzten unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Luft auf die stöchiometrische oder eine magerere Zusammensetzung zu bringen, damit die vollständige Verbrennung innerhalb des Auspuffsystems gewährleistet ist. In dem Vorschlag nach dem Stand der Technik, auf den oben Bezug genommen wurde, wurde dem System Sauerstoff hinzugefügt, um das gesamte Gemisch, das den Nachbrenner erreicht, auf die stöchiometrische Zusammensetzung zu bringen, und zu diesem Zweck mußte zusätzlicher Sauerstoff eingeführt werden, um nicht nur mit dem für die Kaltzündung unerläßlichen Wasserstoff und Kohlenmonoxid, sondern auch mit dem Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Abgas zu reagieren. Die zum Zweck der Reaktion mit den Kohlenwasserstoffen eingeführte zusätzliche Luftmenge verringerte die Konzentrationen von Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Damit diese den zur Kaltzündung nötigen kritischen Wert erreichten, mußte die Menge des eingespritzten Kraftstoffes erhöht werden. Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß die Konzentrationen von Wasserstoff und Kohlenmonoxid insofern kritisch sind, als Kaltzündung nicht stattfinden kann, wenn die Wasserstoffkonzentration niedriger als 3 Volumenprozent und die Sauerstoffkonzentration niedriger als 6 Volumenprozent ist. Für eine zuverlässige Zündung ist eine Wasserstoffkonzentration im Nachbrenner zwischen 5% und 6% vorzuziehen.
In der vorliegenden Erfindung wird der Kohlenwasserstoffanteil der Abgase nicht während der Phase der Abgaszündung (nachstehend EGI-Phase genannt) verbrannt, sondern er wird vielmehr abgefangen und vorübergehend gespeichert, so daß nur Kohlenmonoxid und Wasserstoff den Nachbrenner erreichen. Daher verringert sich die Menge an zusätzlicher Luft, die notwendig ist, um eine stöchiometrische Zusammensetzung zu erreichen, weil die Kohlenwasserstoffe aus dem Abgasgemisch entfernt wurden. Die verringerte Verdünnung ermöglicht während der Abgaszündungsphase die Zuführung eines schwächeren Gemisches an die Motorzylinder, wobei die zur Abgaszündung notwendige Wasserstoffkonzentration aber immer noch erreicht wird. Es wird verständlich sein, daß es nicht so sehr der für die Reaktion mit den Kohlenwasserstoffen benötigte Sauerstoff ist, der das Verdünnungsproblem verursacht, als vielmehr der in der Zusatzluft enthaltene verbleibende Stickstoff, der das vierfache Volumen des Sauerstoffes einnimmt.
Stickstoff stellt den bedeutendsten Verdünnungsstoff für die zu verbrennenden Gase dar, aber die Abgase enthalten auch Dampf und Kohlendioxid, deren Vorhandensein dazu beiträgt, die Konzentrationen an Wasserstoff und Sauerstoff zu verringern. Dasselbe Verfahren der vorübergehenden Speicherung könnte auf Dampf und Kohlendioxid angewendet werden, indem eine geeignete chemische Falle ausgewählt wird, doch sind die zu erreichenden Vorteile nur von untergeordneter Bedeutung.
Das Abfangen und Speichern der Kohlenwasserstoffe geschieht vorzugsweise mit Hilfe einer chemischen Falle. Chemische Fallen sind bereits bekannt und wurden vorgeschlagen, um Kohlenwasserstoffe zu speichern, bis der Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht. Im Gegensatz zur Falle der vorhergehenden Erfindung wurden diese Fallen gewöhnlich auf der Austrittsseite des Katalysators angebracht, um das Anspringen des Katalysators nicht zu verlangsamen, und damit die in ihnen gespeicherten Kohlenwasserstoffe nicht frühzeitig freigegeben werden, noch bevor der Katalysator seine Anspringtemperatur erreicht. Nach der Zündung des Katalysators werden die Fallen mit einem Luftstrom gespült, der auf der Eintrittsseite des Katalysators in das Auspuffsystem zurückgeführt wird. Auch erst seit kurzer Zeit sind chemische Fallen verfügbar, die in der Lage sind, hohen Temperaturen standzuhalten und, wie in der vorliegenden Erfindung, auf der Eintrittsseite des Nachbrenners angebracht werden können.
Das Abfangen kann wahlweise auf rein physikalischem Wege erfolgen, wobei dies auf der Kondensation von Kohlenwasserstoffen auf einer kalten Fläche mit großer Oberfläche beruht. In jeder Art von Falle werden die Kohlenwasserstoffe automatisch freigesetzt, wenn sich die Abgastemperatur erhöht, in einem Fall durch Desorption und im anderen Fall durch Verdampfung.
Die Bauweise einer Falle für Kohlenwasserstoffe kann in der Praxis im allgemeinen jener der Matrix eines Katalysators ähnlich sein, wobei der Unterschied im wesentlichen in der auf der Keramikmatrix aufgebrachten Beschichtung liegt. Es ist daher möglich, die Falle für Kohlenwasserstoffe in den Katalysator zu integrieren, indem entweder die gesamte Matrix eine Doppelfunktion als chemische Falle und Katalysator erfüllt, oder indem ein Teil der Matrix als chemische Falle und der andere als Katalysator wirkt.
Während man die Verwendung einer chemischen Falle, die stets in Serie mit dem Nachbrenner verbunden ist, bevorzugt, ist es andererseits möglich, eine Falle für Kohlenwasserstoffe in einer Umgehungsleitung bereitzustellen, wobei der Durchfluß durch jene über Ventile im Abgassystem gesteuert wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels weiter beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, die eine schematische Darstellung eines Motors ist, der eine KW-Falle, einen Nachbrenner und einen Katalysator besitzt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In der Zeichnung besitzt ein Motor 12 einen Einlaßkrümmer, der einen Durchflußmesser 22 für die Einlaßluft, ein Drosselventil 24 und Kraftstoffeinspritzventile 20 aufweist. Der Motor besitzt auch ein Auspuffsystem, das ein Fallrohr 14 umfaßt, das zu der aus KW-Falle 10, Nachbrenner 16 und Katalysator 11 bestehenden Einheit führt. Der als Einheit ausgeführte Katalysator besteht aus zwei Blöcken 10, 11, die durch die Nachbrennkammer 16, in der eine Zündvorrichtung in Form einer Zündkerze 18 angeordnet ist, voneinander getrennt sind.
Der Motor besitzt auch einen Abgassauerstoffsensor 38, der während des normalen Betriebszustandes zur Kontrolle der Kraftstoffzufuhr des Motors verwendet wird, und eine Luftpumpe 30, die als Quelle für die Zusatzluft dient, um durch ein Ventil 32 Luft in das Auspuffsystem einzuführen, ohne daß die Luft durch die Verbrennungskammern des Motors strömt.
So wie das System bisher beschrieben wurde, ist es im wesentlichen dem in PCT- Anmeldung WO92/22734 beschriebenen System ähnlich, von dem es sich nur durch die Bauweise der aus KW-Falle, Nachbrenner und Katalysator bestehenden Einheit unterscheidet. Aus diesem Grund sei der Leser für eine vollständigere Beschreibung des Systems auf den früheren Antrag verwiesen und im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird nur eine zusammenfassende Erklärung vorgelegt werden.
Im Normalzustand, also wenn der Motor warmgelaufen ist, wird die Luftpumpe 30 nicht betätigt und der Abgassauerstoffsensor 38 wird eingesetzt, um sicherzustellen, daß den Verbrennungskammern ein stöchiometrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis zugeführt wird. Der Block 11 des Katalysators wirkt als Dreiwegekatalysator und stellt bei seiner normalen Betriebstemperatur sicher, daß das Kohlenmonoxid, die Stickoxide und die Kohlenwasserstoffe, die noch im Abgas vorhanden sind, unter ausschließlicher Bildung von Kohlendioxid, Stickstoff und Wasserdampf miteinander reagieren.
Während eines Kaltstarts wirkt der Katalysator nicht, und es wird ein Betriebszustand der Abgaszündung hergestellt, um den Block 11 so schnell wie möglich auf seine Anspringtemperatur zu bringen. Während der Abgaszündung spritzen die Kraftstoffeinspritzventile 20 wesentlich mehr Kraftstoff ein als zur Herstellung eines stöchiometrischen Gemisches nötig ist, und diese Kraftstoffüberversorgung erzeugt im Abgas Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Dann wird die Luftpumpe 30 betätigt, und der Luftstrom wird durch das Ventil 32 so geregelt, daß nun innerhalb des Auspuffsystems die stöchiometrische Zusammensetzung erreicht wird und dieses Gemisch bei Erreichen der Nachbrennkammer 16 mit Hilfe der Zündkerze 18 gezündet wird, um den Block 11 aufzuheizen. Zur gleichen Zeit verbraucht die Verbrennung im Nachbrenner 16 selbst die schädlichen Emissionen, die andernfalls über den kalten Katalysatorblock 11 hinaus entwichen wären.
In dem Vorhaben nach dem Stand der Technik war der Block 10 im Katalysator ebenso als Dreiwegekatalysator konstruiert. In der vorliegenden Erfindung ist der Block 10 jedoch so konstruiert, daß er eine Falle für Kohlenwasserstoffe einschließt, die während der Inbetriebnahme wirkt, indem sie die in den Abgasen enthaltenen Kohlenwasserstoffe absorbiert und daran hindert, die Nachbrennkammer 16 zu erreichen. Die Bauweise einer Falle für Kohlenwasserstoffe kann physikalisch der. Bauweise einer Katalysatormatrix ähneln, wobei der Unterschied in dem auf der Keramikmatrix aufgebrachten Überzug liegt. Es ist daher möglich, den ersten der beiden Blöcke ausschließlich als Falle för Kohlenwasserstoffe oder als eine aus einer Falle för Kohlenwasserstoffe und einem Dreiwegekatalysator bestehende Einheit zu konstruieren.
Die Wirkung des Anbringens einer Falle für Kohlenwasserstoffe auf der Eintrittsseite des Nachbrenners besteht darin, daß nun weniger Sauerstoff in das Auspuffsystem eingeführt werden muß, um ein stöchiometrisches Gemisch innerhalb des Nachbrenners 16 zu erhalten. Da weniger Verdünnungsstoffe in das Auspuffsystem eintreten, muß durch die Verbrennung im Motor weniger Wasserstoff produziert werden, um die zum Kaltstart notwendigen Konzentrationen zu erreichen. Auf diese Weise erlaubt die Erfindung das Auftreten der Abgaszündung schon bei einem geringeren Grad der Kraftstoffanreicherung.
Indem die Überversorgung mit Kraftstoff auf erträglichere Werte reduziert wird, gestattet die Erfindung, daß der Betriebszustand der Abgaszündung über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten wird. Ferner ist die im Nachbrenner erzeugte Hitze weniger intensiv, da nur Wasserstoff und Kohlenmonoxid verbrannt werden. Daher wird der zweite Block 11 durch eine schwächere Flamme erwärmt, die eine längere Zeit brennt, was zu einem tieferen Eindringen in die Matrix seitens der die Anspringtemperatur erreichenden Schicht führt und auch die Gefahr verringert, daß die Vorderseite der Katalysatormatrix durch Überhitzung beschädigt wird.
Adsorption der Kohlenwasserstoffe neigt dann aufzutreten, wenn die erste Matrix kalt ist und die Entfernung des Kohlenwasserstoffanteils der Abgase auch durch Kondensation der Kohlenwasserstoffe auf der ausgedehnten kalten Oberfläche der Kapillaren innerhalb des ersten Blockes 10 unterstützt wird. Steigt die Temperatur der Matrix 10, so wird der abgeschiedene Kraftstoff freigegeben und der kondensierte Kraftstoff verdampft. Zu diesem Zeitpunkt wird mehr Sauerstoff in das Auspuffsystem eingeführt, um das Gemisch in der Nachbrennkammer 16 wieder auf die stöchiometrische Zusammensetzung zu bringen. Zu diesem Zeitpunkt ist durch die Verringerung der Kraftstoffanreicherung im Motor die Flamme im Nachbrenner bereits gelöscht, und statt dessen werden die Gase im zweiten Block 11 exotherm miteinander reagieren, um die Schicht zu vergrößern, die die Anspringtemperatur erreicht hat, bis sie die gesamte Matrix 11 einnimmt.
Gegenwärtig sind Fallen für Kohlenwasserstoffe verfügbar, die in der Position des Blockes 10 im Katalysatorgehäuse standhalten, doch ist es wahlweise auch möglich, eine Falle für niedrigere Temperaturen zu verwenden und sie in einer Umgehungsleitung anzubringen, in die die Abgase während des Betriebszustandes der Abgaszündung umgeleitet werden.
Ebenso wie als Falle für Kohlenwasserstoffe und als Katalysator zu dienen, hilft der erste Block 10 in der dargestellten Anordnung, eine laminare Gasströmung sicherzustellen, um die Verbrennung im Nachbrenner zu verbessern, und er wirkt auch als Flammensperre, um zu verhindern, daß die Flamme im Nachbrenner hinauf durch das Auspuffrohr zuröckschlägt.
Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung den vorherigen die Abgaszündung betreffenden Vorschlag verbessert, indem sie den Grad der Kraftstoffanreicherung reduziert, der notwendig ist, um eine Flamme im Nachbrenner zu erzeugen, ohne daß die Komplexität und die Größe des Systems dabei zunähmen.

Claims

1. Ein Betriebsverfahren für einen Motor, der einen Nachbrenner sowie einen Katalysator auf der Austrittsseite des Nachbrenners aufweist, das die Schritte umfaßt: Des Einführens einer genügenden Menge an überschüssigem Kraftstoff in den Motor, damit Kraftstoffbestandteile einschließlich unverbrannter Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Wasserstoff in den Abgasen erzeugt werden, des Abfangens der unverbrannten Kohlenwasserstoffe auf der Eintrittsseite des Nachbrenners, damit im wesentlichen nur Kohlenmonoxid und Wasserstoff den Nachbrenner erreichen können, des Einführens einer genügenden Menge zusätzlicher Luft in das Auspuffsystem, um das lediglich aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Luft bestehende Gemisch auf die stöchiometrische Zusammensetzung oder auf eine magerere Zusammensetzung zu bringen, wobei die resultierende Konzentration von Wasserstoff und Sauerstoff in dem Gemisch, das den Nachbrenner erreicht, zur Zündung unmittelbar nach einem Kaltstart ausreicht, des Zündens des Gemisches im Nachbrenner durch eine Zündquelle, des Freisetzens der abgefangenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe in den Nachbrenner nach der Zündung und des Einführens einer ausreichenden zusätzlichen Luftmenge in das Auspuffsystem, um das Gemisch aus freigesetzten unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Luft auf die stöchiometrische Zusammensetzung oder auf eine magerere Zusammensetzung zu bringen, um die vollständige Verbrennung innerhalb des Auspuffsystems zu gewährleisten.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Abfangen von Dampf und Kohlendioxid umfaßt, um den Anteil nicht verbrennbarer Verdünnungsstoffe in den Gasen, die den Nachbrenner erreichen, weiter zu verringern.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das das dauerhafte Anbringen einer chemischen Falle in Serie mit dem Nachbrenner umfaßt sowie das Bilden einer Falle aus einem Material, das in der Lage ist, den normalen Betriebstemperaturen der Abgase standzuhalten.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das das Anbringen einer chemischen Falle in einer Umgehungsleitung umfaßt, durch die die Abgase ausschließlich während der Kaltphase des Motorbetriebs umgeleitet werden.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 3, das das Bilden einer chemischen Falle als Einheit mit dem ersten Block eines aus zwei Blöcken bestehenden Katalysators und das Bilden des Nachbrenners in der Kammer zwischen den beiden Blöcken umfaßt.