NL8401537A - Systeem en inrichting voor uitlaatgasrecirculatie bij verbrandingsmachine. - Google Patents

Description

N.0. 32.446 !Z>4

Systeem en inrichting voor uitlaatgasrecirculatie hij verbrandingsmachine ·

De uitvinding heeft betrekking op een systeem en de 5 benodigde inrichting voor uitlaatgasrecirculatie (EGR:

Exhaust Gas Recirculation) bij een verbrandingsmachine, in het bijzonder bij een inwendige verbrandingsmotor, welke machine een gasvormige brandstof gebruikt die met lucht gemengd en gecomprimeerd in de verbrandingsruimte ontsto-10 ken wordt en verbrandt om door de daarbij optredende druk-verhoging ten gevolge van de temperatuurstijging in de verbrandingsgassen, mechanisch vermogen bij de navolgende expansie af te geven via daartoe geschikte middelen, en waarbij in een deel van het vermogensgebied aan de toege-13 voerde verbrandingslucht gekoelde uitlaatgassen afkomstig van de verbranding bijgemengd worden (EGR) ten einde onder andere het zuurstofgehalte in de verbrandingsruimte zo ver te reduceren dat het gehalte aan gevormde stikstofoxyden (NO ) in de uitlaatgassen verlaagd wordt.

20 De invloed van uitlaatgasrecirculatie op de uitlaat gassamenstelling van verbrandingsmachines wordt alom onderzocht, waarbij het oogmerk in hoofdzaak is om het gehalte aan stikstofoxyden te reduceren. Het onderzoek heeft veelal betrekking op het deellastgebied van de machines.

25 EGR wordt in de praktijk nog weinig toegepast en dan nog vooral bij automobiel-benzinemotoren, omdat vele variabelen er invloed op uitoefenen en vaak verbetering van het ene ten koste gaat van verslechtering van iets anders, zoals bijvoorbeeld van het specifieke brandstofverbruik van 30 de machine. Ten einde in dit complexe probleem de uitvinding zo duidelijk mogelijk naar voren te brengen, wordt ter vereenvoudiging het probleem en de oplossing besproken aan de hand van het voorbeeld van een vonkontstoken zelf-aanzuigende gasmotor. Voorzover er getallenvoorbeelden 35 genoemd worden, hebben deze betrekking op een zelfaanzui-gende viertaktmotor met een nominaal toerental van circa 1000 omwentelingen per minuut en een boring respectievelijk slag van circa 200 respectievelijk circa 300 mm. Nadrukkelijk zij echter vermeld dat de uitvinding in wezen niet 40 alleen betrekking heeft op alle gasmotoren, doch ook op 8 4 D15 3 7 f * - 2 - diesel-gasmotoren met ontsteking door een injectie van een kleine hoeveelheid vloeibare brandstof en op zuivere dieselmotoren, op bovenstaande motoren met drukvulling en in bepaalde gevallen zelfs op gasturbines.

5 Het ontstaan van de stikstofoxyden N0„ als functie van de lucht/brandstofverhouding λ is grafisch en schematisch weergegeven in fig. 1. Op de NOx-as zijn geen getalwaarden aangegeven, omdat deze voor de verschillende motortypen, in verband met hun specifiek vermogen, hun 10 grootte, de vorm van hun verbrandingsruimte, hun compres sieverhouding en dergelijke, verschillend zijn. Niettemin geldt de kromme in wezen voor alle verbrandingsmotoren, zowel in deellast als bij vollast. Er blijkt een maximale NOx-productie te zijn bij een lucht/brandstof-15 verhouding van circa 1,15, waarbij de productie in het gebied I sterk afneemt bij rijkere mengsels, bij λ naderend tot de stoechiometrische lucht/brandstofverhouding 1,0 of overrijke mengsels. In het gebied II neemt eveneens de NO -productie sterk af, doch minder steil, zodat bij

Jv 20 λ = circa 1,5 è 1,6 een wederom geringe productie optreedt.

In het volgende zal, eveneens ter vereenvoudiging, uitsluitend van aardgas als gasvormige brandstof sprake zijn, met 0¾ als belangrijkste component, omdat circa 25 90 % van alle gasmotoren op de wereld aardgas als brand stof gebruiken. Bij gebruik van deze brandstof is bij een lucht/brandstofverhouding tot circa A = 1,6 met de huidige stand van de techniek in een vonkontstoken motor een reproduceerbare en redelijk volledige verbranding mogelijk, 30 terwijl armere mengsels niet meer of niet meer volledig reproduceerbaar ontstoken kunnen worden. Wederom is deze waarde van A = 1,6 enigszins afhankelijk van al dan niet toegepaste wervelingen in de verbrandingsruimte, vorm van de verbrandingsruimte, plaatsing van de bougie, en derge-35 lijke, doch deze grenswaarde vormt een redelijk gemiddelde (in de veronderstelling dat in elke cilinder steeds een redelijk homogeen lucht/brandstofmengsel aanwezig is).

Het gebied I in fig. 1 is van oudsher het gebied waarin zich de USA-school van gasmotoren beweegt. Deze motoren 40 werken in het algemeen bij vollast en vaak ook bij deellast 8401537 * ♦ - 3 -

met een ongeveer stoechiometrisch mengsel nabij λ = 1,0 en hebben een lage compressieverhouding 8 van circa 8 è 9 ten einde het risico van detonatie en andere ongecontroleerde verbrandingsverschijnselen welke de motor op den duur zou-5 den vernielen, te voorkomen. Het voordeel hiervan is een hoog specifiek vermogen van de motor, en een laag Ν0χ-gehalte bij de hogere belastingen tot vollast* Een nadeel van de lage compressieverhouding 8 is een laag thermo-dynamisch nuttig effect \ daardoor een relatief hoog 10 specifiek verbruik, en een relatief hoog gehalte aan CO

en onverbrande brandstof in de uitlaatgassen. Bij deellast draaien de bekende motoren veelal met λ tot circa 1,2, waardoor de motoren in deellast een relatief hoog gehalte aan Ν0χ in de uitlaatgassen bevatten. Mede daarom wordt 15 met uitlaatgasrecirculatie (EGR) vooral in het deellast-gebied geëxperimenteerd.

Van oudsher staat tegenover de Amerikaanse school de Europese school, welke tracht in het gebied II van fig. 1 te opereren. Het oogmerk is vooral een beter specifiek 20 brandstofverbruik te bereiken. In het gebied van de daarbij toegepaste armere mengsels met λ tot 1,6 is het mogelijk een hoge compressieverhouding van £ » circa 12 toe te passen. Dank zij de hoge waarde voor λ levert de hoge waarde van £ geen risico voor detonatie. Het voordeel is 25 een aanmerkelijk hoger nuttig effect Λ, Omdat de verbranding reproduceerbaar blijft tot λ = circa 1,6 is in het deellastgebied van deze motoren het NOx-gehalte van de uitlaatgassen relatief laag. Een nadeel hierbij is echter, dat, vooral bij een zelfaanzuigende motor, bij een λ 1,6 30 niet voldoende brandstof aangezogen kan worden om een corresponderend vermogen te bereiken als de Amerikaanse school mogelijk maakt. Ten einde concurrerend te kunnen zijn op de markt, is men dus gedwongen om voor de hogere vermogens tot aan vollast terug te gaan naar minder arme 35 mengsels tot λ * circa 1,2. Weliswaar blijft daarbij het verbrandings nuttig effect "*1 hoog, doch de hoge daarbij optredende maximale verbrandingstemperaturen veroorzaken een hoog NO -gehalte, zoals uit fig. 1 te zien is. Het Λ specifieke verbruik blijft relatief laag.

40 Er kan in dit verband nog op gewezen worden, dat bij 8401537 ,# * - 4 - aardgas als brandstof, het eventueel aanwezig zijn van onverbrande koolwaterstoffen in de uitlaatgassen, niet van doorslaggevende betekenis is als milieuverontreiniging, omdat CH^ reeds de laagst mogelijke koolwaterstof is en 5 een onvolledige verbranding slechts CO en mogelijkerwijze enig roet veroorzaakt. Wel geeft onvolledige verbranding uiteraard een hoger specifiek verbruik.

In fig. 2 zijn als voorbeeld een aantal karakteristieken afgezet van een zelfaanzuigende gasmotor van het 10 eerder genoemde type met een boring respectievelijk slag van circa 200 respectievelijk circa 300 mm bij een toerental van 1000 omwentelingen per minuut. Het is een motor van uitgesproken Europees type met een compressieverhou-ding van 8 = 12. Er zijn telkens twee krommen weergegeven 15 voor twee verschillende momenten van voorontsteking van de vonk aan de bougie. De grenzen voor de hoogste uitlaat-kleptemperatuur en de toelaatbare verbrandingsdruk bij nominaal vollastvermogen zijn met stippellijnen in fig. 2 aangegeven. Van de bestaande motor blijken de niet nader 20 weergegeven getalwaarden voor het NO -gehalte nabij vol-last tot 2000 en meer ppm te bedragen. De momenteel geldende streefwaarde is 1500 ppm, terwijl verwacht wordt dat omstreeks 1986, 600 ppm de maximaal toegelaten waarde voor het NOx-gehalte in de uitlaatgassen zal zijn. Alle krommen 25 zijn afgezet ten opzichte van de gemiddelde effectieve druk pA in bar. De nominale vollastwaarde voor de betrok-e ken motor is circa 7,6 bar, zodat in fig. 2 het deellast-gebied en het vollastgebied beide weergegeven zijn. Uit de krommen voor het thermisch nuttig effect *1 blijkt reeds, 30 dat vooral in het deellastgebied het moment van voorontsteking een belangrijke invloed heeft, doch een veel grotere invloed heeft de niet afzonderlijk weergegeven compressieverhouding £. De krommen gelden voor £ * 12, terwijl voor een 8 van circa 8 è 9 volgens de Amerikaanse 35 school, 1 nogmaals tussen 5 en 10 % lager zou komen te liggen.

De uitvinding beoogt om met dit soort motoren van het Europese type, met behoud van de hoge waarde voor het thermisch nuttig effect 'l en dus van de compressieverhou-40 ding van 8 = circa 12, zonder vermogensverlies niettemin 8401537 ► * - 5 - een sterk verminderde productie van het NO -gehalte in de uitlaatgassen te bereiken. Theoretisch is de meest voor de hand liggende weg om de stikstof N2 te verwijderen uit de verbrandingslucht. Hieraan wordt weliswaar gewerkt, doch 5 het is een moeilijk probleem en resultaten worden vooralsnog niet verwacht. Een andere oplossing is daarom noodzakelijk.

Volgens de uitvinding wordt dit oogmerk bereikt, doordat de recirculatie van de uitlaatgassen EGR ten minste 10 in het vollastgebied plaatsvindt, zodanig dat het nominale vollastvermogen dat de machine zonder EGR kan leveren, bereikbaar is bij een laagblijvend NO -gehalte in de uit-laatgassen.

Volgens de uitvinding wordt EGR ook bij vollast toe-1$ gepast, zodat ongeveer hetzelfde lage NOx-gehalte als bij deellast haalbaar is, terwijl het specifieke vermogen op de oorspronkelijke vollastwaarde kan blijven, zodat de motor concurrerend blijft qua specifiek vermogen.

Op zich is, zoals boven reeds vermeld, EGR bekend.

20 Daarbij wordt gekoeld uitlaatgas, dat weinig of geen 02 meer bevat, in een zodanige hoeveelheid aan de aangezogen verbrandingslucht bijgemengd, dat het 02-gehalte in een vermogensgebied van deellast tot en met vollast gereduceerd wordt tot de voor volledige verbranding noodzake-25 lijke waarde, dus tot λ 02 = 1,0. De totale cilindervul-ling blijft daarbij ongewijzigd en slechts het 02-gehalte is verminderd. Ter onderscheiding wordt daarbij de totale λ, λ 2 genoemd. Daardoor ontstaat bovendien een relatief langzame verbranding met relatief lage maximale ver-30 brandingstemperaturen en -drukken, ondanks het handhaven van de hoge compressieverhouding E en een vroege vooront-steking a. Daarmee zijn zeer lage NO -waarden van 300 ppm Λ of minder mogelijk van deellast tot en met vollast. Het normale specifieke vermogen blijft haalbaar zonder thermi-35 sche overbelasting van de verbrandingsruimte. Slechts is het theoretisch mogelijk dat het gehalte aan CO in de uitlaatgassen een weinig toeneemt, hetgeen veel minder schadelijk is dan een hoog NOx-gehalte.

Tot een belasting in het deellastgebied van circa 40 70 % met een pQ tussen 6,0 en 6,5 kan volgens de Europese 8401537 - 6 - school zonder EGR gedraaid worden, omdat volgens fig. 2 λ daarbij nog circa 1,5 bedraagt en uit fig. 1 blijkt dat het NO -gehalte dan nog voldoende laag is, ondanks de hoge iv 8 en de hoge **1.

5 Bij een bovenbeschreven gasmotor met vonkontsteking, lopende op aardgas dat in hoofdzaak uit CH^ bestaat, en welke motor een compressieverhouding van 8 = circa 12 heeft, wordt een voorkeursuitvoeringsvorm van het systeem daardoor gekenmerkt, dat de voorontsteking α over het ge-10 hele vermogensgebied één vaste instelling heeft, welke overeenkomt met de optimale voor het deellastgebied zonder EGR. Deze vaste instelling van de voorontstekingshoek a is in het EGR-gebied mogelijk doordat de motor slechts zo weinig zuurstof toegevoerd krijgt, dat enerzijds het toe-15 gevoerde gas nog volledig kan verbranden, doch dat anderzijds in de volledige cilindervulling een relatief langzame warmteontwikkeling optreedt, vergelijkbaar met de verbranding van een arm lucht/brandstofmengsel, waarbij geen hoge verbrandingsdrukken en verbrandingstemperaturen 20 optreden, zodat ook het risico voor detonatie gering is. Dit maakt een vroegere ontsteking mogelijk dan zonder EGR noodzakelijk en mogelijk is. Daardoor blijft niet alleen het verbrandings nuttig effect \ hoog, doch de mechanische complicatie van een variabel ontstekingsmoment wordt even-25 eens vermeden. Dit maakt de motor goedkoper, eenvoudiger en neemt een bron van mogelijke storingen weg.

Verder bestaat een voorkeursuitvoeringsvorm van een motor voorzien van een gas/luchtmenger geplaatst vóór de hoofdsmoorklep voor de vermogensregeling daaruit, dat de 30 menger van het venturi-type is en dat de EGR-toevoer plaatsvindt in dezelfde venturi stroomopwaarts van de gastoevoer. Op zich heeft toepassing van een menger voor het gas met de lucht van het venturi-type geplaatst vóér de hoofdsmoorklep reeds het voordeel, dat ten gevolge van 35 eenzelfde onderdruk voor de lucht en het gas in de keel van de venturi, de lucht/brandstofverhouding op de vooraf ingestelde waarde ongeveer constant blijft over het gehele regelbereik. Door nu de EGR-toevoer eveneens in die keel te plaatsen, geldt hetzelfde voor de lucht/EGR-verhouding 40 wat de eigenlijke venturi betreft. Evenwel dient de EGR- 8401537 * » - 7 - toevoer afzonderlijk regelbaar te zijn en daartoe wordt volgens een voorkeursuitvoeringsvorm een zelfaanzuigende motor welke tot en met het deellastgebied met een relatief arm lucht/brandstofmengsel bedreven wordt met een λ tussen 5 1,4 en 1,6, daardoor gekenmerkt, dat vanaf een deellast van circa 70 % bij een p_ van circa 6 bar, de EGR-toevoer

© O

maximaal geopend wordt, zodat λ 2 gelijk aan 1,0 wordt bij een λ van circa 1,6 en dat bij hogere belasting de EGR-klep geleidelijk gesloten wordt, zodat Λ ^2 gelijk aan 10 1,0 blijft bij λ ^2+^R af nemende van 1,6 tot 1,0, totdat bij een (over)belasting van de motor met een p van circa 9 bar (met CH^ als brandstof) de EGR-klep wederom gesloten is, omdat λ Og+EGR _ _ Λ^2 is geworden. Het zal dui delijk zijn, dat voor ieder afzonderlijk motortype de 15 menger zodanig gedimensioneerd moet zijn, dat bij volledig geopende EGR-klep juist λ °2 gelijk aan 1,0 wordt bij een deellast van circa 70 %, waarbij de λ °2+E^R gelijk blijft aan de λ behorende bij de lagere deellast zonder EGR van circa 1,6. Dit betekent dat bij een belasting boven deze 20 waarde, de hoofdsmoorklep niet meer actief is en de motor steeds een volledige cilindervulling krijgt, bestaande uit de benodigde hoeveelheid gas met juist zoveel aangezogen verse lucht, dat er voldoende 02 is om een λ °2 gelijk aan 1,0 te verkrijgen en waarbij het voor een volledige cilin-25 dervulling ontbrekende aangevuld wordt met gerecirculeerd uitlaatgas. Uit het bovenstaande volgt een verdere voor-keursuitvoeringsvorm, waarbij de regeling van het vermogen in het deellastgebied totdat de EGR-klep opent, met de normale hoofdsmoorklep plaatsvindt en de gastoevoerklep in 30 een vaste smoorstand blijft, welke voorkeursuitvoeringsvorm daardoor gekenmerkt wordt, dat in het vermogensgebied waarbij de EGR-klep geopend is, het vermogen via de gas-klep geregeld wordt, dat de hoofdsmoorklep zover geopend is dat verdere opening geen invloed meer heeft op de vul-35 ling van de motor en dat in dit gebied de opening van de EGR-toevoerklep bestuurd wordt, bijvoorbeeld door een 02~ sensor geplaatst in de uitlaatgassen of door een curve-schijf of een elektronisch equivalent, zodat het (^-gehalte in de uitlaatgassen op of nabij 0 gehouden wordt 40 (λ°2 - 1,0).

8401537 » « - 8 -

Zoals reeds eerder geschreven, toont fig. 2 een aantal karakteristieke krommen van de als voorbeeld beschouwde gasmotor zonder EGR. De invloed van de EGR zoals boven beschreven, is met stipstreeplijnen in fig. 2 schematisch 5 weergegeven. Bij de betrokken motor is het gewenst om vanaf een p van circa 6,3 bar, EGR toe te passen. Een van w de redenen voor de keuze van deze waarde van de gemiddelde effectieve druk p is het feit dat het NO -gehalte in

C A

deellast bij deze p tot de toekomstige grenswaarde van 10 circa 600 ppm toeneemt, terwijl uit de onderste grafiek blijkt, dat daarbij de λ zonder EGR nog tussen 1,5 en 1,6 ligt. In het vermogensgebied met EGR zal het NOx-gehalte meer of minder constant blijven op een lage waarde, welke ter oriëntatie met een stipstreeplijn in de bovenste 15 grafiek is weergegeven. Bij het openen van de EGR-klep zal in ieder geval het NO -gehalte nog enigszins afnemen tot een zeer geringe waarde, omdat de λ 2 = 1,0 regeling dan in werking treedt.

Dank zij de reeds eerder beschreven vertraagde ver-20 brandingsafloop in de cilinder in het EGR-gebied, zal de maximale verbrandingsdruk eveneens lager worden, ondanks de vroege voorontsteking van α = 14°, hetgeen wederom schematisch met een stipstreeplijn is weergegeven in de krommen voor de maximale verbrandingsdruk P. Evenzo is bij 25 de λ curven het EGR-gebied aangegeven, namelijk een XG2 van 1,0 omdat de λ sensor of dergelijke daarvoor zorgdraagt. De λ krommen van het deellastgebied zetten zich zonder meer voort in het EGR-gebied, alwaar zij λ ®2+EGR genoemd zijn, omdat de hoofdsmoorklep in dit gebied niet 30 meer werkzaam is en de motor steeds een volle cilinder-vulling krijgt, nu echter bestaande uit een mengsel van het voor het vermogen noodzakelijke stoechiometrische gas/ luchtmengsel, aangevuld met EGR. Zoals in fig. 3 is weergegeven, doch niet in fig. 2, snijden de verlengden van de 35 A EGR-krommen de λ = 1,0 lijn bij een p. van ongeveer 9 bar. Dit betekent dat dit het maximale vermogen is dat de beschouwde motor bij volledige cilindervulling met een stoechiometrisch mengsel zou kunnen leveren. In de praktijk betekent dit echter voor praktisch alle motoren een 40 zware thermische overbelasting van de de verbrandingsruimte 8401537 » » - 9 - omgevende delen, zoals zuiger en uitlaatkleppen. In verband met de thermische belasting worden de zelfaanzuigende motoren in het algemeen belast voor continu vollast bedrijf tot een p van circa 7,6 bar. Afhankelijk van de toegepaste 5 materialen, de meer of minder grote inspanning voor de koeling, de absolute grootte van de motor en zijn toerental, is de vollast p. variabel tussen circa 7,0 en 8,0 bar.

In sommige gevallen is een kortstondige overbelasting, bijvoorbeeld om belastingpieken op te vangen, mogelijk tot 10 maximaal 9 bar . In het voorgaande en navolgende is steeds sprake van een λ^2 »1,0 sensor. Het kan echter bij extreem hoge eisen wat het NO -gehalte betreft soms nodig zijn om met een "overrijk" mengsel te werken met een λ <1,0. Een aangepaste sensor is dan nodig, Het voordeel is dan een -ben koste van,, 15 nog lager NO -gehalte, docir een wat hoger CO-gehalte in de ·#·» uitlaatgassen en een iets hoger specifiek brandstof-verbruik.

In fig. 3 is een deel van het bovenbeschrevene grafisch afgezet, doch voor de toelichting wordt verwezen 20 naar de navolgende figuurbeschrijving, omdat de toelichting niet te geven is zonder kennis van fig. 4, welke een voorkeursuitvoeringsvorm van een toepasbare gas/lucht/EGR-menger en een deel van de regeling ervan beschrijft. Ook een voorkeursuitvoeringsvorm van de menger wordt in de 25 figuurbeschrijving toegelicht.

Er zij nog op gewezen dat bij de tot nu toe bekende toepassingen van EGR in het deellastgebied, de EGR toegevoerd wordt na de hoofdsmoorklep, omdat in het deellastgebied na de hoofdsmoorklep een aanzienlijke onderdruk 30 aanwezig is, welke de EGR gemakkelijk doet aanzuigen. Bij de bekende installaties is dan ook veelal een gas/lucht-menger van het venturitype niet aanwezig.

Uit het voorgaande zal het duidelijk zijn, dat toepassing van EGR het meest effectief is in een gebied waar 35 λ kleiner is dan circa 1,6. Wederom afhankelijk van het type motor zal de p_ waarboven EGR zinvol is, in de prak-tijk variëren tussen 5,5 en ten hoogste circa 7,0. Verder zal het duidelijk zijn, dat toepassing van de 02-sensor in de uitlaat niet strikt noodzakelijk is, doch dat voor 40 een gegeven motortype waarvan de karakteristieken bekend 8401537 » - 10 - zijn, de EGR-toevoer ook geregeld kan worden via een eenmaal vastgelegde karakteristiek, bijvoorbeeld via een mechanische curvenkromme of een elektronisch programma. De beschreven voorkeursuitvoeringsvorm met een C^-sens or 5 werkt echter optimaal en is in staat om geleidelijk aan optredende afwijkingen, bijvoorbeeld door ontregeling en vervuiling, verregaand te compenseren, met het doel het NO -gehalte van de uitlaatgassen zo lang mogelijk laag te λ houden.

10 Een met de Og-sensor samenhangend voordeel is even eens van wezenlijk belang. Het kan bij gasmotoren voorkomen dat de ontsteking van het gas/luchtmengsel in één of meer cilinders af en toe, regelmatig of constant weigert, hetgeen vooral bij multicilindermotoren met een groot ver-15 mogensoverschot vaak moeilijk te constateren is. Als nu in het EGR-bedrijfsgebied van de motor de EGR-klep helemaal geopend zou zijn of onrustig is en telkens naar verder openen neigt, dan behoort bij de geleverde pe, dan is dit een teken dat er in de uitlaatgassen af en toe of regel-20 matig O2 aanwezig is, dat er niet zou mogen zijn. Dit is een zeer gevoelige aanwijzing voor het feit dat één of meer cilinders af en toe of regelmatig weigeren te ontsteken. Dit verschijnsel kan gemakkelijk gedetecteerd worden en geeft een vroegtijdige waarschuwing en beveili-25 ging tegen moeilijkheden met de ontsteking.

In de navolgende beschrijving van de figuren wordt de uitvinding en een voorkeursuitvoeringsvorm van een menger nader toegelicht.

Fig. 1 toont de principiële relatie tussen de Ν0χ-30 productie van een zelfaanzuigende gasmotor afgezet tegen de lucht/brandstofverhouding λ; fig. 2 toont van een willekeurige bekende gasmotor een aantal voor de uitvinding relevante karakteristieken zoals lucht/brandstofverhouding λ, thermisch nuttig effect 35 Ί, en NO -productie afgezet tegen de gemiddelde effectieve Λ druk pe in de cilinder. Schematisch is de invloed van de xe uitlaatgasrecirculatie EGR bij de hogere vermogens mede afgebeeld; fig. 3 toont wederom schematisch de belangrijkste 40 kenmerken van de EGR volgens de uitvinding, toegepast bij 8401537 - 11 - * de motor volgens fig. 2 en met een regeling en een menger volgens fig. 4; fig. 4 toont in langsdoorsnede een gas/lucht/EGR-menger volgens de uitvinding.

5 De fig. 1 en 2 zijn in hoofdzaak reeds besproken in bovenstaande inleiding. Slechts kan in verband met fig. 1 nog vermeld worden, dat het maximum voor het NOx»gehalte aanzienlijk kan variëren, afhankelijk van motortype, ontwerp, toerental, enzovoort. Het is daarom met een streep-10 lijn aangegeven. Ter oriëntatie van de grootte-orde van het NOx-gehalte is een lijn voor 500 ppm in fig. 1 aangegeven, Daaruit blijkt, dat het maximum van het NOx-gehalte bij de bekende motoren (zonder EGR en zonder andere mogelijke speciale maatregelen) tot enige duizenden ppm kan 15 oplopen. Bovendien zijn de einden van de kromme zowel in het gebied I als II eveneens als streeplijn aangegeven, omdat ook hier de verschillen groot zijn afhankelijk van de verschillende motortypen. Belangrijk is daarbij echter dat voor nagenoeg alle motortypen de NOx-gehalten laag 20 zijn.

Aan de zijde van de rijke mengsels in het gebied I is een lagere NOx-productie eenvoudig verklaarbaar: Allereerst verbrandt de brandstof en gebruikt de daarvoor noodzakelijke zuurstof. Is er weinig of geen overmaat aan 25 zuurstof, dan zal, ondanks het bereiken van hoge piektem-peraturen, bij welke op zich Ν0χ zou kunnen ontstaan, weinig of geen N0„ meer gevormd kunnen worden, bij gebrek Λ aan zuurstof. Zoals reeds eerder geschreven, is de vorm van de grafiek van fig. 1 praktisch onafhankelijk van het 30 motortype en het toerental en zelfs van de belasting, geldig met een maximum NO -gehalte bij λ = circa 1,15.

a

Fig. 3 is wat het fundamentele deel betreft reeds boven beschreven. De wijze echter waarop de verschillende mediumstromen als functie van de kiepstanden verkregen 35 worden om de gevraagde λ-karakteristiek te verkrijgen, wordt toegelicht tegelijk met de beschrijving van de inrichting volgens fig. 4.

In fig. 4 is een voorkeursuitvoeringsvorm van een gasmenger afgebeeld, welke aan de gestelde eisen voldoet 40 en schematisch is de koppeling van de verschillende 8401537 - 12 - kleppen aangegeven* De niet weergegeven motor is voorzien van een aanzuigverdeelleiding 1, waarin zich op gebruikelijke wijze een centrale hoofdsmoorklep 2 bevindt. Deze smoorklep is zoals gebruikelijk als vlinderklep uitgevoerd 5 en roteert om een naar buiten uitgevoerde as 3. Voor nul-last is de smoorklep 2 nagenoeg geheel gesloten en heeft daartoe veelal een instelbare aanslag 25. Het stoppen van een gasmotor vindt dan ook plaats via een andere (niet weergegeven) gasafsluiter. Stroomopwaarts van de aanzuig-10 leiding 1 bevindt zich de menginrichting volgens de uitvinding, welke in zijn geheel met 4 is aangeduid. De menginrichting bestaat in hoofdzaak uit een uit een aantal delen samengebouwd huis 5 van cilindrische vorm en heeft een centrale doorlaat 6. Aan de instroomzijde is de door-15 laat 6 zich stroomlijnvormig vernauwend afgerond (7) langs zijn gehele omtrek. Aan de uitstroomzijde verwijdt zich de doorlaat 6 geleidelijk (8) tot de inwendige diameter van de aanzuigleiding 1. Tussen de intrede afronding 7 en de zich verwijdende uitlaat 8 bevindt zich een relatief lang, 20 in hoofdzaak cilindrisch deel 9. Door deze vormgeving is reeds een aanzet tot de venturivorm gegeven aan de doorlaat 6. De werking van de venturi wordt echter aanmerkelijk versterkt doordat centraal in de doorlaat een cilindrisch verdringerlichaam 10 is gebracht, voorzien van een 25 stroomlijnvormig verlopende afronding 11 aan de instroomzijde en een kegelvormige vernauwing 12 aan de uitstroomzijde. De doorlaat 6 van het mengerhuis 5 is aldus een ringvormige venturi geworden. Het verdringerlichaam 10 wordt centraal in de doorlaat 6 op zijn plaats gehouden 30 door een aantal radiaal geplaatste bevestigingselementen. Schematisch is er één van afgebeeld in de vorm van een tapeind 12 met borgmoer 13.

In het mengerhuis 5 zijn twee van elkaar gescheiden ringvormige kamers aangebracht. Kamer 14 dient voor de 35 gastoevoer G en is aan de buitenomtrek van het mengerhuis 5 verbonden aan een gastoevoerleiding 15. In de gastoe-voerleiding bevindt zich eveneens een vlinderklep 16, welke op gebruikelijke wijze instelbaar is om een naar buiten uitgevoerde as 17. De gas-klep 16 kan niet geheel 40 gesloten worden, omdat hij tegen een schematisch weerge- 8401537 * * - 13 - geven instelbare aanslagbout 18 komt te rusten. Be andere ringvormige kamer 19 is via de buitenomtrek van het menger-huis 5 verbonden met een toevoerleiding 20 voor de uitlaatgasrecirculatie (EGR). In de EGR-toevoerleiding bevindt 5 zich eveneens een vlinderklep 21, draaibaar om een naar buiten doorgevoerde instelas 22. De EGR-klep 21 kan de EGR-toevoer volledig afsluiten.

Elk van de ringvormige kamers 14 en 19 is via een rondlopende spleet van aanzienlijke lengte geopend naar 10 het cilindrische gedeelte 9 van de venturidoorlaat 6. Het gas G kan aldus volgens de aangegeven pijlen via de ring-spleet 23 aangezogen worden door de versneld langsstromende luchtstroming L. In het daaropvolgende zich verwijdende deel van de venturi vindt een zeer homogene menging tussen 15 gas G en lucht L plaats, waardoor het brandbare gas/lucht-mengsel ontstaat dat aangegeven is met de pijlen M. Evenzo kan, wanneer de EGR-klep 21 geopend is, uitlaatgas via de ringspleet 24 meegezogen worden met de versnelde luchtstroming L. De EGR-toevoer vindt stroomopwaarts plaats ten 20 opzichte van de gastoevoer G. Een kenmerk van dit type menger met verlengde venturi 9 bestaat daaruit, dat onafhankelijk van de hoeveelheid aangezogen mengsel M en dus onafhankelijk van de stand van de hoofdsmoorklep 2 en van het motortoerental, de mengverhouding tussen de aangezogen 25 luchthoeveelheid en gashoeveelheid nagenoeg constant blijft. Het maakt voor de aangezogen gashoeveelheid geen verschil of ter plaatse van de toevoerringspleet 23 uitsluitend lucht voorbijstroomt of een mengsel van lucht met EGR. Hetzelfde geldt ook voor de EGR/L-verhouding welke 30 constant blijft, onafhankelijk van de momentane motorbe-lasting en het toerental van de motor, voorzover de EGR-klep 21 een stroming van EGR toelaat. De bovengenoemde constante verhoudingen zijn mogelijk dank zij het feit dat het gas en de eventuele toevoer van EGR beide plaatsvinden 35 stroomopwaarts van de hoofdsmoorklep. Zij worden derhalve uitsluitend bepaald door de eigenschappen van de als venturi uitgevoerde menger 4. Bij een groot aantal van de bekende motoren vindt de gastoevoer na de hoofdsmoorklep plaats, waardoor de lucht/brandstofverhouding λ sterk 40 toeren- en belastingafhankelijk wordt. Hetzelfde geldt 84 0 1 5 3 7 - 14 - voor de EGR-toevoer, voorzover deze reeds toegepast wordt voor het deellastgebied.

Wat de verdere constructie van de menger "betreft, deze behoeft voor het begrijpen van de onderhavige uitvinding 5 niet nader toegelicht te worden. Hij is zodanig, dat de verschillende kamers en ruimten toegankelijk zijn voor montage en demontage.

Wat de werking betreft is in bovenstaande beschrijving reeds het wezen van de karakteristiek van de menger 10 beschreven. Onderstaand volgt de toelichting van de regeling, mede aan de hand van fig. 3. De hoofdsmoorklep 2 is met getrokken lijnen weergegeven in een deellastpositie. Daarbij zijn de cyclustempera turen in de verbrandingsruimte zo laag, dat er hoegenaamd geen N0„ ontstaat, zodat

Jx •15 EGR-toevoer niet noodzakelijk is. De EGR-klep 21 is derhalve geheel gesloten, terwijl de gasklep 16 in de vaste deellastpositie staat, zoals afgeheeld, tegen de instelbare aanslag 18. In het gehele deellastgebied blijft de gasklep 16 rusten tegen de aanslag 18. In de nullaststand, 20 waarbij de gemiddelde effectieve druk p gelijk is aan 0 bar, is de hoofdsmoorklep 2, zoals gestippeld weergegeven in fig. 4 voor p. = 0, nagenoeg geheel gesloten en rust tegen een instelbare aanslag 25.

Afhankelijk van het motortype en zijn toerental, 25 stijgt het NOx-gehalte bij toenemende belasting totdat het bij een p van circa 6,3 ofwel een belasting van circa 70% van de nominale belasting, zo hoog wordt, dat de toelaatbare grens voor het Ν0χ -gehalte bereikt is. De daarbij behorende stand van de hoofdsmoorklep 2 is gestippeld aange-30 geven in fig. 4 met p * circa 6,3 bar. De hoofdsmoorklep w 2, te zamen met het aanzuigkanaal 1, is nu zodanig gemodelleerd en gedimensioneerd, dat tot de als voorbeeld genoemde deellastpositie behorende bij p = 6,3, de regeling onge-veer lineair verloopt zoals de kromme voor de mengsel-35 stroom in fig. 3 aangeeft. Bij verder openen van de hoofdsmoorklep 2 tot de stand voor het maximaal haalbare vermogen van de motor bij een p. van circa 9, heeft een ver-stelling van de hoofdsmoorklep 2 geen invloed meer op de mengselstroom, zoals fig. 3 aangeeft. In fig. 4 wordt 40 daarbij het traject over de hoek α afgelegd. Ongeveer in 8401537 5· > - 15 - het midden van de weergegeven hoek α bevindt zich de stand behorende bij het nominale vermogen van de motor, aangeduid met 100 %. De hoek α geeft tevens het EGR-gebied aan, dat wil zeggen dat er bij deze regelstanden van de hoofd-5 smoorklep 2 meer of minder uitlaatgas EGR gerecirculeerd wordt.

Om de vermogensregeling van de motor eenvoudig te houden, dient deze uitsluitend te blijven plaatsvinden via de verstelas 3 van de hoofdsmoorklep 2. In het EGR-gebied 10 echter, is de werking van de hoofdsmoorklep, zoals boven beschreven, op het motorvermogen nihil. Er is derhalve een niet weergegeven koppeling tussen de hoofdsmoorklep 2 en de gasklep 16 aanwezig, bijvoorbeeld met behulp van een curveschijf, zodanig dat over het EGR-traject van de 15 hoofdsmoorklep, de gasklep 16 geleidelijk verder geopend wordt. Dit is in fig. 3 aangegeven met de kromme genaamd gaskiepstand. Eveneens uit fig. 3 blijkt dat de gasstroom daarbij ongeveer lineair toe blijft nemen. In het deellast-gebied tot p. 6,3 is dit het gevolg van de reeds eerder 20 beschreven werking van de venturi en in het EGR-gebied, bij constant blijvende mengselstroom door de venturi, ten gevolge van de zich verder openende gasklep 16.

In het gegeven voorbeeld wordt bij het passeren van p =s 6,3 de EGR-klep 21 volledig geopend, zodat het zuur-25 stofgehalte in het aangezogen mengsel M gereduceerd wordt tot een zodanige waarde, dat λ °2 gelijk is aan 1,0. De EGR-klep is daarvoor gedimensioneerd, mede als functie van onder andere de gebruikte gasvormige brandstof, of er is een niet weergegeven maximum aanslag aangebracht, welke de 30 grootste opening van de EGR-klep 21 begrenst. De EGR-klep 21 wordt verder uitsluitend bestuurd door een A -sensor in de uitlaat van de motor. Deze sensor is van het type dat hij bij aanwezigheid van zuurstof in de uitlaatgassen een signaal afgeeft en zijn omslagpunt heeft bij λ = 1,0.

35 Dergelijke A-sensoren zijn betrouwbaar gebleken en in de handel verkrijgbaar. (Er zijn ook A-sensoren verkrijgbaar met een omslagpunt bij λ = 1,1 of A =0,9). Bij toenemende opening in het EGR-gebied van de hoofdsmoorklep 2 en derhalve ook van de gasklep 16 zal het aangezogen mengsel M 40 bij de gegeven mee aangezogen EGR-hoeveelheid, te arm aan 8401537

msJ V

- 16 - 02 dreigen te worden, zodat de λ-sensor geen Og in de uitlaatgassen meer meet. Hij zal derhalve een commando geven waardoor de EGR-klep zover gesloten wordt, totdat wederom λ^2 = 1 bereikt wordt. Zoals reeds eerder gesteld, 5 is de λ°2+Ε0β hierbij steeds constant, omdat de motor steeds een 100-procents vulling krijgt, In fig. 3 zijn de bijbehorende stromen en kiepstanden weergegeven, evenals de bereikbare λ.

In het gegeven voorbeeld zal bij p » 9 bar alle in 10 de lucht L aanwezige zuurstof benodigd zijn voor de verbranding van alle toegevoerde gas G. Op dat moment zal derhalve geen EGR meer toegevoegd mogen worden, omdat dan λ°2 gel^k wordt aan λ°2+Ε0Κ en gelijk aan λ = 1,0. Ook bij deze maximale belasting van de motor is het NOx-gehalte 15 zeer gering, omdat alle zuurstof nodig is voor de verbranding van het gas en er geen zuurstof meer resteert om zich te binden met de stikstof. Evenwel betekent deze belasting een zware thermische overbelasting van de meeste motoren, zodat het nominale vollastvermogen meestal aanzienlijk 2Ó lager gesteld moet worden op een pe van ongeveer 7 è. 8 bar, zoals bij de motor volgens het onderhavige voorbeeld op 7,6 bar.

Het zal duidelijk zijn dat in wezen eenzelfde menger en eenzelfde regelsysteem toepasbaar is om het NOx-gehalte 25 in de uitlaatgassen van een diesel-gasmotor te beheersen. Het enige wezenlijke verschil met een vonkontstoken gasmotor bestaat daaruit, dat in plaats van een vonk voor de ontsteking te gebruiken, telkens een kleine hoeveelheid vloeibare dieselbrandstof op het juiste moment wordt inge-30 spoten. Dit soort motoren werkt veelal met een armer lucht/brandstof mengsel dan een vonkontstoken gasmotor in het deellastgebied, omdat het relatief grote aantal ontstekende vloeibare brandstofdruppeltjes idem zovele verbrandingshaarden vormen. Een Λ van 2 en hoger is daar-35 bij mogelijk zonder een overmatige hoeveelheid onverbrand gas in de uitlaat aan te treffen. De compressieverhouding £ kan daarbij aanzienlijk hoger zijn zonder gevaar voor detonatie, welke hogere compressieverhouding ook noodzakelijk is om de zelfontbranding van de dieselbrandstof zeker 40 te stellen. Slechts in het lage deellastgebied zal er 8401537 - 17 - enige smoring van de aangezogen luchthoeveelheid moeten plaatsvinden, opdat liet lucht/brandstofmengsel niet zo arm wordt, dat de verbranding zich te traag voortplant of in het geheel niet meer kan voortplanten vanuit de ontsteken-5 de vloeibare dieselbrandstofdruppeltjes. In het hogere belastinggebied zal EGR toegepast kunnen en moeten worden, net zoals boven omschreven voor de vonkontstoken gasmotor.

Het zal duidelijk zijn dat het bovenstaande in principe ook geldt voor zuivere dieselmotoren en voor motoren 10 met drukvulling.

Op grond van de algemeen geldige fig. 1 zal ook bij een zuivere dieselmotor enige EGR bij hogere belastingen het NO -gehalte kunnen reduceren. Om echter rookvorming te Λ voorkomen, zou bij een dieselmotor de lucht/brandstofver-15 houding niet tot λ°2 » 1,0 gereduceerd kunnen worden, doch, afhankelijk van het motortype, op een wat hogere waarde voor A^2.

Betekenis van de verschillende aanduidingen voor λ in het mengsel M: 20 (L/B) werkeli.ik_ λ = (bekende en gebruikelijke) (L/B) stoechioBetrisoh " verhouding (stoechiometrisch λ = 1,0) Q aangezogen 02 λ 2 = verhouding —......

benodigde 02 voor stoechiometrische ver-

25 branding van toegevoerde brandstof G

^02+EGR _ verhouding (lucht (L) + EGR)/B (j_s gelijk (L/B) stoechiometrisch aan λ in EGR-bedrijf) 30 waarin: L, B, G: gewichtshoeveelheden lucht, respectievelijk brandstof, respectievelijk gas; 02: gewichtshoeveelheid zuurstof in de lucht.

8401537

Claims (7)

1. Systeem voor de reductie van de stikstofoxyden (NO ) van de uitlaatgassen bij een verbrandingsmachine, in 5 het bijzonder bij een inwendige verbrandingsmotor, door middel van uitlaatgasrecirculatie (EGR)welke machine een gasvormige brandstof gebruikt die met lucht gemengd en gecomprimeerd in de verbrandingsruimte ontstoken wordt en verbrandt om door de daarbij optredende drukverhoging ten 10 gevolge van de temperatuurstijging in de verbrandingsgassen, mechanisch vermogen bij de navolgende expansie af te geven via daartoe geschikte middelen, en waarbij in een deel van het vermogensgebied aan de toegevoerde verbrandingslucht gekoelde uitlaatgassen afkomstig 15 van de verbranding bijgemengd worden (EGR), ten einde onder andere het zuurstofgehalte in de verbrandingsruimte zover te reduceren, dat het gehalte aan gevormde stikstof oxyden (NO ) in de uitlaatgassen verlaagd wordt, met het Λ kenmerk, dat de recirculatie van de uitlaatgassen 20 (EGR) ten minste in het vollastgebied plaatsvindt, zodanig dat het nominale vollastvermogen dat de machine zonder EGR kan leveren, bereikbaar is bij een laagblijvend NOx-gehalte in de uitlaatgassen.

2. Systeem volgens conclusie 1, waarbij de machine 25 een vonkontstoken gasmotor is, lopende op aardgas dat in hoofdzaak uit CH^ bestaat, met een compressieverhouding g = circa 12, met het kenmerk, dat de voorontsteking (a) over het gehele vermogensgebied tot het nominale vermogen een vaste instelling heeft, welke over-30 eenkomt met de optimale voor het deellastgebied zonder EGR.

3. Systeem volgens conclusie 2, waarbij de motor een gas/luchtmenger heeft, geplaatst stroomopwaarts ten opzichte van de hoofdsmoorklep voor de vermogensregeling, met het kenmerk, dat de menger (4) van het 35 venturi type (7, 8, 9, 10) is en dat de EGR-toevoer (24) plaatsvindt in dezelfde venturi (9) stroomopwaarts van de gastoevoerplaats (23).

4. Systeem volgens conclusie 3, waarbij de motor zelf-aanzuigend is en tot en met het deellastgebied met 40 een relatief arm lucht/brandstofmengsel bedreven wordt van 8401537 - 19 - ~ A as circa 1,6, met het kenmerk, dat vanaf een deellast van circa 70%, overeenkomend met een gemiddelde effectieve druk p. * circa 6 bar, de EGR-toevoer © O (21, 24) maximaal geopend is, zodat λ 2 =1,0 bij een 5 A°2+EGR m circa 1,6, en dat bij hogere belasting de EGR-klep (21) geleidelijk gesloten wordt, zodat AG2 =1,0 blijft bij 1,0 < AG2+^GR <1,6, totdat bij een (over) belasting met een p = circa 9 bar, de EGR-klep (21) wederom gesloten is, omdat 10 X°2+Ji®R = λ°2 en dus gelijk aan 1,0 is geworden.

5. Systeem volgens conclusie 4, waarbij de regeling van het motorvermogen in het deellastgebied (totdat de EGR-klep opent) met de normale hoofdsmoorklep plaatsvindt en de gasklep in een vaste smoorstand blijft, met 15 het kenmerk, dat in het vermogens gebied waarbij de EGR-klep (21) geopend is, het vermogen met de gasklep (16) geregeld wordt, waarbij de hoofdsmoorklep (2) zover geopend is, dat verdere, opening geen invloed meer heeft op de vulling van de motor, welke dan maximaal is, 20 en dat in dit gebied de opening van de EGR-toevoerklep (21) bestuurd wordt door een in de uitlaatgassen geplaatste O^-sensor, welke het 02-gehalte op, 0 houdt (A°2 = 1,0), doordat een deel van de aangezogen lucht (L) vervangen wordt door EGR.

6. Inrichting voor toepassing van het systeem voor NO -reductie bij een verbrandingsmachine, zoals beschreven in één of meer van de voorgaande conclusies, bestaande uit een gas/luchtmenger (4) van het venturitype, geplaatst stroomopwaarts ten opzichte van de hoofdsmoorklep (2) van 30 de machine, met het kenmerk, dat de vernauwing (9) van de venturi cilindrisch verlengd is, dat de EGR-toevoeropening (24) stroomopwaarts ten opzichte van de gastoevoeropening (23) aangebracht is in het cilindrische vernauwde venturideel (9), 35 en dat, zowel in de gastoevoerleiding (15) naar de gastoevoeropening (23) en in de EGR-toevoerleiding (20) naar de EGR-toevoeropening (24), een individueel instelbare regel-klep (16 respectievelijk 21) is aangebracht.

7. Inrichting volgens conclusie 6, waarbij het motor-40 vermogen uitsluitend door verstelling van de hoofdsmoorklep 34 0 1 5 37 - 20 - (2) geregeld wordt, met het kenmerk, dat er middelen zijn welke de gasklep (16) koppelen aan de hoofdsmoorklep (2), en dat deze een curveschijf omvatten, en dat de stand van de EGR-klep (21) instelbaar is door 5 een verstelinrichting welke bestuurd wordt door een λ°2 a 1,0 sensor geplaatst in de uitlaatgassen van de motor. 8401537