SE509787C2 - Anordning och förfarande för katalytisk avgasrening med tillförsel av väte - Google Patents

Description

is 509 787 2 Fastän dagens trevägskatalysatorer normalt har en mycket hög reningsgrad som starkt begränsar utsläppen av skadliga föroreningar i atmosfären finns idag krav på ytterligare sänkningar av sådana utsläpp. Dessa krav härstammar bland annat från allt strängare lagstiftning i olika länder, med krav på extremt låga utsläpp av NO,-, CO- och HC- föreningar.

En svårighet i samband med dagens trevägskatalysatorer hänför sig till det faktum att de måste värmas upp till en viss tändtemperatur (den s.k. "light-off-temperaturen") vid vilken den kan tillhandahålla en optimal reningsfunktion.

I synnerhet är avgasutsläppen relativt höga under den inledande uppvärmningsfasen hos en förbränningsmotor efter start. Vid temperaturer under tändtemperaturen sker således inte de erforderliga katalytiska reaktionerna i tillräck- ligt hög grad. Tändtemperaturen kan definieras som den temperatur vid vilken katalysatorn tillhandahåller 50% arbetar med omvandlings grad . Moderna katalysatorer tändtemperaturer på c:a 200° C till 300° C.

För att reducera mängden skadliga utsläpp under den inledande uppvärmningsfasen har ett flertal lösningar föreslagits. Många av dessa lösningar är baserade på att tiden som förflyter tills tändtemperaturen uppnås förkortas genom att höja temperaturen i katalysatorn så fort som möjligt. Ett sätt för snabb uppvärmning av en trevägskatalysator är att utnyttja en elektriskt uppvärmbar katalysator som kan inrättas så att den värms upp via ström som tillförs från ett batteri. En väsentlig nackdel med denna metod är att den kräver en mycket hög tillförsel av ström. Detta gäller särskilt i startförloppet för förbränningsmotorn, där ju fordonet har ett särskilt högt strömbehov (för att t.ex. fordonets Startmotor, eluppvärmda rutor och säten skall kunna aktiveras). Normalt krävs således ett särskilt kraftfullt dimensionerat kraftförsörj- _5Ûg â87,wW 3 ningssystem hos fordonet om en sådan elektriskt uppvärmbar katalysator skall kunna utnyttjas. Ett ytterligare problem i samband med en elektriskt uppvärmbar katalysator är att det finns en risk att dess livslängd blir' begränsad.

Dessutom leder det höga kraftbehovet till en relativt hög belastning på motorn, vilket kan ge förhöjda emissioner och förhöjd bränsleförbrukning.

Ett annat sätt att förkorta tiden som förflyter tills trevägskatalysatorn når sin tändtemperatur är att utnyttja en separat, mindre startkatalysator som placeras uppströns den ordinarie trevägskatalysatorn. Med lämplig placering och utformning av startkatalysatorn fås (pà grund av den exoterma reaktionen) en förhöjd temperatur av avgaserna som strömmar genon1den:nedströns placerade trevägskatalysatorn.

Dessutom bidrar startkatalysatorn till minskade emissioner från det kompletta katalysatorsystemet. En nackdel ned denna metod är dock att den uppströms placerade start- katalysatorn kan påverka motorns yttre gasväxling på ett negativt sätt. Dessutom arrangeras normalt en sådan startkatalysator relativt nära motorn, vilket kan medföra problem avseende åldring till följd av de höga temperaturer som normalt råder i närheten av motorn.

En ytterligare nætod för förkortning av trevägskataly- satorns tändtid är att senarelägga tändtidpunkten för motorn, vilket ger en ökning av avgastemperaturen och en minskning av emissionerna. En nackdel med denna metod är att den ger upphov till en relativt hög bränsleförbrukning.

Dessutonl finns en risk för partiella. misständningar i motorn om. förbränningen inte sker på ett tillräckligt snabbt och robust vis. Detta kan i sin tur leda till försämrad körbarhet och förhöjda emissioner. trevägs- En ytterligare -nætod för förkortning av katalysatorns tändtid är att låta en brännbar gas strömma ü 509 787 4 mot trevägskatalysatorn och antändas med hjälp av en särskild tändanordning. På så vis fås en effektiv och snabb uppvärmning av katalysatorn. En nackdel med denna metod är att den kräver en särskild tändanordning, vilket i sin tur skapar problem avseende pålitlighet och tillför en extra kostnad vid ~tillverkningen av fordonet. Dessutom leder denna metod till en mycket hög termisk belastning på den katalytiska beläggningen i katalysatorn (s.k. termochock), vilket kan leda till en begränsad livslängd för katalysatorn.

Vidare kan trevägskatalysatorn fås att nå sin tändtempe- ratur snabbt genom att låta en gas tillåts förbrännas spontant (d.v.s. utan någon särskild tändanordning) i nära anslutning till trevägskatalysatorn. Ett system som utnyttjar denna princip visas i patentdokumentet WO 96/11330. I enlighet med detta system genereras vätgas ombord på fordonet med hjälp av en särskild elektrolys- anordning. Vätgasen tillförs till en punkt uppströms trevägskatalysatorn, tillsammans med ett tillskott av luft som matas från en sekundärluftpump. Genom att låta vätet förbrännas spontant tillsammans med luft i nära anslutning till trevägskatalysatorn kan en snabb uppvärmning av trevägskatalysatorn erhållas.

Fastän systemet enligt WO 96/11330 i princip ger en tillfredsställande funktion är det dock behäftat med vissa nackdelar. Främst kan noteras att detta kända system inte tar hänsyn till att en mängd olika parametrar hos trevägskatalysatorn och motorsystemet i övrigt måste optimeras om man skall kunna erhålla en fullgod funktion vid uppvärmningen av trevägskatalysatorn, d.v.s. för att dess tändtemperatur skall kunna uppnås snabbt och under alla rådande omständigheter. Dessutom medför detta kända arrangemang en viss risk för flambildning i anslutning till is 5o9'7à7 katalysatorn. En ytterligare nackdel är att det förutsätter lufttillförsel med hjälp av en separat sekundärluftspuznp.

Ett ytterligare problem som kan uppstå i samband med avgasrening med hjälp av en katalysator är att vid en viss typ av gassammansättning leder närvaron av HC, CO och vissa andra substanser till förgiftning av de aktiva sätena på katalysatorn. Denna förgiftning konstrollerar till stor del tändtemperaturen, vilken som ovan nämnts är av storleks- ordningen 200-300° C, vilket gäller vid normal vätehalt i avgaserna (av storleksordningen < 1%), medan tänd- temperaturen är cza 100-130° C vid förhöjd vätehalt (minst c:a 4%) . nEnoGöRELsE rön UPPFINNINGEN: Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en förbättrad anordning för minskning av skadliga utsläpp från en förbränningsmotor, vilken på ett optimalt sätt tillhandahåller en tills en trevägskatalysator uppnår sin tändtemperatur. Detta ändamål uppnås medelst en anordning, vars kännetecknande särdrag framgår av efterföljande patentkrav l. Nämnda ändamål uppnås också medelst ett förfarande, vars kännetecknande särdrag framgår av efterföljande patentkrav 14. förkortning av tiden Uppfinningen är avsedd för minskning av skadliga utsläpp från en förbränningsmotor genom snabb uppvärmning av en avgaskatalysator som är anordnad i ett avgassystem hörande till nämnda motor. Uppfinningen innefattar medel för tillförsel av väte och medel för tillförsel av luft till avgassystemet, uppströms nämnda katalysator, varvid blandningen av väte och luft ger upphov till spontan exotermisk förbränning i anslutning till katalysatorn.

Uppfinningen innefattar också en styrenhet för styrning av funktionen hos nämnda medel. Uppfinningen kännetecknas av att nämnda inrättad för styrenhet är styrning av 3 509 787 6 tillförseln av luft och väte till avgassystemet i anslutning till start av motorn under en tidsperiod som åtminstone löper tills avgaskatalysatorn har nått en gränstemperatur där dess funktion inte hämmas av CO- eller HC-förgiftning. Genom noggrann optimering av uppfinningen uppnås en kort uppvärmningstid för katalysatorn.

Ett ytterligare ändamål med tillhandahålla ett stabilt startförlopp hos en motor under det att utsläppen av CO och HC-föreningar huvudsakligen elimineras. I enlighet med en föredragen utföringsform av uppfinningen är att uppfinningen kan detta ändamål uppnås genom att tillhandahålla vätetillförsel på motorns insugssida under startförloppet, d.v.s. innan något flytande bränsle tillförs motorn. Med begreppet “flytande bränsle" menas det för motorn normala kolväte-baserade bränslet, vilket för närvarande på de flesta marknader utgörs av bensin eller alkohol-bensinblandningar.

Fördelaktiga utföringsformer av uppfinningen framgår av de efterföljande beroende patentkraven.

FIGURBESKRIVNING: Uppfinningen skall i det följande närmare förklaras med hänvisning till. ett föredraget. utföringsexempel och de bifogade ritningarna, där figur 1 visar ett principellt schema av ett arrangemang med en förbränningsmotor, vid vilken den före- _ liggande uppfinningen kan utnyttjas, och figur 2 visar en alternativ utföringsform av uppfinningen.

FÖREDRAGNA Urrönmosrommn: is ~bränsletank så att en i varje 5o9ï7šï 7 I figur 1 visas i schematisk form ett arrangemang enligt den föreliggande uppfinningen. Enligt' en föredragen utföringsform är uppfinningen anordnad i anslutning till en förbränningsmotor 1 i form av en konventionell bensinmotor.

Motorn 1 matas på sedvanligt vis med inströmande luft via ett luftinlopp 2. Vidare är motorn 1 försedd med ett antal (t.ex. fyra) cylindrar 3 samt ett motsvarande antal insprutningsanordningar 4 för bränsle. Respektive insprutningsanordning 4 är elektriskt ansluten till en central styrenhet 5. Mängden luft som tillförs motorn 1 regleras på känt sätt med hjälp av en gastrottel 6.

Styrenheten 5 är företrädesvis datorbaserad och är inrättad att på känt sätt styra bränsletillförseln till respektive insprutningsanordning 4 med bränsle från en (ej visad) ögonblick avpassad luft/bränsleblandning matas till motorn 1. Motorn l enligt utföringsformen är utformad enligt typen "multi-point“- insprutning, där den korrekta mängden bränsle till motorn 1 på känt sätt kan tillföras individuellt till respektive cylinder 3.

Avgaserna från motorn 1 leds ut från cylindrarna 3 via ett grenrör 7 och vidare till ett avgasrör 8 som är anslutet till grenröret 7. Längre nedströms längs avgasröret 8 finns en avgaskatalysator 9 anordnad, vilken utgörs av en konventionell trevägskatalysator för reducering av NO;-och HC-föreningar samt CO, vilket sker genom kända katalytiska reaktioner.

Under drift av motorn 1 är styrenheten 5 inrättad att styra luft/bränsleblandningen till motorn 1 så att den i varje ögonblick anpassas till aktuellt driftsförhållande. För detta ändamål innefattar systemet åtminstone en sensor för detektering av syrekoncentrationen i avgaserna. I figuren visas en sensor 10 som företrädesvis är av typen lambdasond is 509 787 8 och är ansluten till styrenheten 5 via en elektrisk Sensorn 10 är företrädesvis placerad i avgasröret 8, uppströms katalysatorn 9. Styrningen av anslutning . motorn 1 sker på i huvudsak känt sätt i beroende av olika parametrar som återspeglar motorns 1 och det aktuella fordonets driftstillstånd. Exempelvis kan motorstyrningen ske i beroende av aktuellt gaspådrag, motorns varvtal, mängden luft till motorn och syrekoncentrationen i avgaserna .

Motorn 1 som visas i figuren är av fyrcylindrigt slag. Det skall dock noteras att uppfinningen kan utnyttjas vid motorer med olika cylinderantal och cylinderkonfigura- tioner. Dessutom kan uppfinningen i princip också utnyttjas vid s.k. "single-point'-insprutning, där en enda bränsle- motorns insprutningsanordning finns placerad i insugningsrör.

Enligt uppfinningen kan motorn 1 förses med vätgas från en vätgasbehållare 11. Tillförsel av väte till motorns inloppssida sker via en första vätgasledning 12 som mynnar i luftinloppet 2 och styrs med hjälp av en första ventil 13 som företrädesvis är elektriskt styrbar och för detta ändamål är ansluten till styrenheten 5. Vidare kan även avgassidan av motorn 1 matas med vätgas från behållaren 11.

Detta sker via en andra vätgasledning 15 som mynnar i avgasröret 8. Vätetillförseln till avgassidan styrs med hjälp av en andra ventil 16 som företrädesvis också är elektriskt styrbar och därför ansluten till styrenheten 5.

Det väte som avses tillföras luftinloppet 2 och/eller avgasröret 8 genereras företrädesvis på fordonet med hjälp av en särskild elektrolysanordning 17 som är ansluten till vätgasbehållaren 11 via en ytterligare ledning 18. En behållare för vatten 19 är vidare ansluten tlil elektrolysanordningen 17 via en ytterligare ledning 20. is 509 787 9 Arrangemanget för generering av vätgas via elektrolys visas endast schematiskt i figuren. Sådan generering av vätgas är dock i sig förut känd, t.ex. genom patentdokumentet WO 96/11330, och beskrivs därför inte i detalj här. Det kan dock konstateras att vätgas under tryck genereras med hjälp av elektrolysanordningen 17 samt lagras i behållaren 11 tills den via någon av ventilerna 13, 16 matas till motorns 1 inlopp och/eller avgassystem.

Under drift av motorn l är företrädesvis elektrolys- anordningen 17 aktiverad, vilket innebär att väte konuner att genereras och lagras under tryck i behållaren 11.

Styrenheten 5 är vidare inrättad att vid vissa förut- bestämda driftsförhållandenlför motorn 1 (företrädesvis när motorn är kall och katalysatorn således behöver värmas till sin tändtemperatur så snabbt som möjligt) öppna ventilen 16 och mata väte till en punkt uppströms katalysatorn 9.

Vidare är uppfinningen så inrättad för tillförsel av luft till avgassystemet 8, för blandning med nämnda väte så att en brännbar gasblandning bildas. För detta ändamål är styrenheten 5 inrättad att styra motorns 1 funktion så att en viss mängd överskottssyre genereras i den avgasblandning som strömmar genom katalysatorn 9. Ett sätt att erhålla denna lufttillförsel är att driva motorn 1 med i huvudsak endast väte, vilket då företrädesvis sker under en viss tidsperiod i anslutning till start av motorn 1. Enligt förbränningsteknik som i sig är känd medger vätetillförseln att förbränningen kan styras mot magerdrift, varvid en mager bränsle/luftblandning förbränns så att ett syreöverskott uppstår på avgassidan, närmare bestämt en avgasblandning som innehåller en syrehalt på 4% eller mer.

Ett annat sätt att erhålla en tillförsel av luft till avgassystemet är att utnyttja en särskild sekundärluftspump 21, som då är inrättad att mata luft till en punkt längs väteledningen 15, via en luftledning 22. Luftpumpen 21 är is 509 787 elektriskt ansluten till styrenheten 5. Enligt vad som komer att beskrivas i detalj nedan är styrenheten 5 inrättad att vid driftsförhållanden luftpumpen 21. Vidare är luftledningen 22 inrättad att utmynna i vätgasledningen 15 vid en punkt som företrädesvis ligger strax nedströms ventilen 16. På så vis kan en första sammanblandning av luft och väte ske innan gasblandningen vissa' aktivera når avgasröret 8, vilket ger en homogen gasblandning.

Luften väteassisterad nmgerdrift av motorn eller med hjälp av luftpumpen 21) kommer att blandas med vätet som tillförts via ledningen 15. Detta ger i sin tur upphov till spontan exotermisk förbränning i anslutning till katalysatorn 9.

Detta leder till en uppvärmning som i sin tur gör att katalysatorn 9 snabbt värms upp till sin tändtemperatur. som tillförs avgassystemet (antingen genom en Såsom nämnts ovan är arrangemanget enligt uppfinningen företrädesvis inrättat så att vätgas kan matas till motorns 1 insugssida. Närmare bestämt kan sådan vätetillförsel ske under de första sekunderna efter start av motorn 1. I detta skede tillförs således företrädesvis enbart väte, d.v.s. utan någon samtidig tillförsel av flytande bränsle (som normalt utgörs lämplig alkohol- bensinblandning). Härigenom uppnås ett flertal fördelar.

Främst kan noteras att utsläppen av CO, C02 och HC- föreningar från motorn 1 i det närmaste kan elimineras under denna fas. Genom vätgastillförseln åstadkommes också ett mycket stabilt startförlopp för nwtorn, inte minst under kallstarter. Dessutom fås en enkel lambdareglering eftersom mängden tillfört syre inte behöver regleras med särskilt hög noggrannhet. av bensin eller en I det fall att motorn 1 under själva startförloppet drivs med enbart vätgas är företrädesvis styrenheten 5 så inrättad att flytande bränsle gradvis tillförs under det is 5b9å?s7: ll att tillförseln av väte gradvis stryps. Denna infasning av det flytande bränslet aktiveras vid en viss tidpunkt efter start av motorn 1.

Uppfinningens funktion kommer nu att beskrivas i detalj.

Vid start av motorn 1, när katalysatorn 9 är kall, är det av yttersta vikt att katalysatorn 9 värms upp så snabbt som möjligt, så att den därigenom når sin tändtemperatur snabbt. Enligt uppfinningen kan denna snabba uppvärmning uppnås på flera sätt. Enligt en första utföringsform kan uppfinningen utnyttjas under ett “pre-crank“-förlopp, d.v.s. enligt ett förlopp som initieras innan motorn 1 har startats. Detta "pre-crank”-förlopp kan företrädesvis initieras med hjälp av en särskild närvarosensor, t.ex. i form av en strömbrytare 23 som känner av förarens närvaro i det fordon där uppfinningen utnyttjas och som för detta ändamål kan vara anordnad i en dörr (visas ej) i fordonet.

Denna strömbrytare 23 är då elektriskt ansluten till styrenheten 5. När fordonets förare komer för att starta bilen och öppnar den aktuella dörren komer en signal att utfärdas från strömbrytaren 23 till styrenheten 5. Detta medför att styrenheten S initierar matning av väte från vätebehållaren ll. Samtidigt aktiveras även luftpumpen 21 av styrenheten 5, för matning av luft. Genom att styrenheten 5 också sätter ventilen 16 i ett öppet läge komer väte och luft att blandas i den nedströms belägna delen av väteledningen 15. Denna gasblandning kommer att förbrännas under värmeutveckling. Företrädesvis styrs tillförseln av vätgas till avgassidan så att den uppgår till 0-28% av den totala (räknat i volymsprocent), företrädesvis 3-18%. Det har visat sig att en sådan andel väte i gasblandningen i avgasröret 8 ger en kraftig uppvärmning av det uppströms belägna ändavsnittet av katalysatorn 9, vilket möjliggör en snabb uppvärmning av katalysatorn 9. gasmängden 3 509 787 12 Alternativt kan andra typer av närvarosensorer utnyttjas för att detektera närvaro av fordonets förare och för initiering av “pre-cranJv-förloppet vid detekterad närvaro.

Exempelvis kan en kapaoitiv närvarosensor utnyttjas, vilket är en typ av sensor där ledande element anordnas i anslutning till förarsätet och inrättas så att de bildar en viss kapacitans vars värde kan detekteras med en särskild mätenhet. På så vis kan vissa förutbestämda värden hos nämnda kapacitans svara.mot närvaro respektive icke närvaro i sätet. Vid detekterad närvaro kan då "pre-crank'- förloppet enligt ovan aktiveras.

Under “pre-crank'-förloppet kommer således blandningen av väte och luft att förbrännas i anslutning till katalysatorn Q innan motorn 1 startas, vilket gör att katalysatorn 9 snabbt kan värmas upp. Eftersom inget flytande bränsle (och således inga kolväten) ännu har matats till motorn 1 under detta förlopp kommer ingen kolmonoxid (CO) att matas genom avgassystemet. Detta medför att det inte föreligger någon risk för CO-förgiftning av katalysatorn 9, vilket annars i hög grad kan påverka tändtemperaturen, enligt vad som förklarats ovan. CO-förgiftning kan således elimineras om katalysatorn värms "pre-crank"-förlopp åtminstone till en gränstemperatur TG där de aktiva sätena inte förgiftas. För katalysatorer av den typ som normalt används i fordonssamanhang är denna gränstemperatur Tg av enligt nämnda storleksordningen 100-l30° C.

I enlighet med utföringsformen matas luft- och väteblandningen till avgasröret 8 under en viss tidsperiod t som åtminstone löper tills nämnda gränstemperatur TG har uppnåtts. När katalysatorn har värmts upp till gränstemperaturen TG har risken för CO-förgiftning i väterik:miljö således eliminerats. Därefter medges start av motorn 1 på konventionellt vis. När motorn 1 startats kommer kolmonoxid att matas genom katalysatorn 9 (p.g.a. 5o§å7à7 13 ofullständig förbränning av de kolväten som ingår i motorbränslet), men denna kolmonoxid ger inte upphov till någon CO-förgiftning eftersom katalysatorn 9 har värmts till gränstemperaturen. TG. Därefter fortsätter således katalysatorn 9 att tillförda väte/luftblandningen i väterik miljö, tills den når sin värmas via den normala vilken normalt är av storleksordningen 200-300° C. Därefter kan nmtorsystemet tändtemperatur TL, styras med normal avgasmiljö, d.v.s. utan vätetillförsel.e Den tidsperiod.under vilken “pre-crank“-förloppet är aktivt (vilket normalt är den tidsperiod som. fortlöper' innan motorn 1 startas) kan bestämmas av förutbestämda faktorer, t.ex. den förväntade tiden som krävs innan nämnda gränstemperatur TG har uppnåtts. I så fall är styrenheten inrättad att aktivera "pre-crank"-förloppet under denna förutbestämda tidsperiod. Alternativt kan denna tidsperiod bero av t.ex. temperaturen hos katalysatorn 9 eller yttertemperaturen. Ett sådant temperaturvärde kan i så fall detekteras av en (ej visad) temperatursensor, varvid styrenheten 5 kan vara inrättad att avbryta “pre-crank"- förloppet och starta motorn 1 när ett förutbestämt gränsvärde har uppnåtts.

På motsvarande sätt som.C0-förgiftning kan inträffa vid den ovan beskrivna motorn kan även HC-förgiftning förekoma vid dieselmotorer. Således kan uppfinningen utnyttjas för tillförsel av luft och väte till ett avgassystem i anslutning till start av en motor, vilket sker under en tidsperiod som åtminstone löper tills katalysatorn har nått en gränstemperatur där dess funktion inte hämas av vare sig CO-förgiftning eller HC-förgiftning. f Ett ytterligare sätt att snabbt nå katalysatorns tändtemperatur är att utnyttja. ett s.k. "post-crank"- förlopp, d.v.s. ett förlopp som initieras huvudsakligen is 509 787 14 samtidigt som motorn startas och som fortgår en viss tid efter att motorn 1 har startats. Eärvid kan den erforderliga lufttillförseln på avgassidan erhållas med hjälp av ovannämnda luftpump 21 eller - enligt en alternativ utföringsform - genom att driva motorn med huvudsakligen endast vätgas under en viss tid. I synnerhet är då styrenheten 5 inrättad att styra tillförseln av vätgas till motorn så att ett syreöverskott bildas i motorns avgaser. Företrädesvis styrs motorn med en vätgastillförsel på insugssidan så att ett syreöverskott på c:a 4% genereras i avgaserna. På motsvarande sätt som i pre-crank-förloppet kommer vätet som tillförs avgassystemet att katalytiska reagera med syret i avgasen redan vid låga temperaturer om CO eller HC ej finns närvarande i avgasen.

Motorn måste således drivas med enbart väte och luft under en tidsperiod fram till att katalysatorn nått gränstemperaturen TG. Enligt utföringsformen styrs då mängden tillförd vätgas på avgassidan så att minst stökiometri i förhållande till mängden syre uppnås, d.v.s. så att mängden vätgas till syre minst förhåller sig som 2:1. Detta medför en reduktion av »IQ-föreningar vid temperaturer över gränsvärdet TG.

Enligt en alternativ utföringsform kan luftpumpen 21 drivas parallellt med vätgastillförseln för generering av syreöverskott. Styrenheten 5 kan då vara inrättad så att en viss mängd väte matas till motorns inlopp 2, varvid styrenheten 5 styr luftpumpen 21 att leverera det eventuella tillskott som krävs för att den önskade väte/luftblandningen skall erhållas i avgasröret 8.

Efter att katalysatorn har nått gränstemperaturen TG kan fortsättningsvis motorn 1 drivas med flytande bränsle, d.v.s. bensin eller en alkohol-bensin-blandning. Enligt vad som nämnts ovan är företrädesvis styrenheten 5 inrättad så 1.5 _20 '509 7så; att det flytande bränslet gradvis tillförs under det att tillförseln av väte gradvis stryps. Z Enligt en ytterligare variant av nämnda “post-crank'- förlopp, där således motorn drivs av vätgas omedelbart efter start, kan en liten mängd flytande bränsle tillföras via motorns ordinarie bränsleinsprutningssystem.parallellt med vätetillförseln. På så vis motorn på väteberikat bränsle och ej ren vätgas, varvid på känt vis StaItaS risken för oönskad självantändning och flamutbredning på motorn insugssida ndnskar. Mängden energi som levereras till motorn i form av flytande bränsle respektive vätgas kan då varieras under startförloppet och styrs lämpligen av styrenheten 5.

För att tillhandahålla en optimal funktion hos det uppfinningsenliga systemet, i synnerhet vad beträffar minimering av värmeförlusterna i katalysatorn 9, kan ett flertal olika åtgärder vidtas, enligt vad som:u1kommer att förklaras i detalj.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är den utformad med medel för minimering av värmeförluster, som i sin tur är inrättade för begränsning av eventuell flambild- ning i katalysatorn 9. Enligt uppfinningen kan detta tillhandahållas genom en särskild flamsläckare (visas ej), som på känt sätt utgörs av ett rörliknande element med ett antal genomgående kanal- eller rörliknande element genom vilka avgaserna från motorn strömmar. Flamsläckaren placeras i katalysatorns 9 uppströms belägna ändparti.

Flamsläckaren kan utformas som en separat komponent placerad intill katatalysatorn 9 eller som en integrerad del av katalysatorn 9. Med hjälp av flamsläckaren förhindras utbredning av en eventuell flama som uppstår i katalysatorn 9, vilket annars kan skulle kunna leda till Företrädesvis utformas termochock i katalysatorn 9.

B 509 787 16 flamsläckaren så att den s.k. hydrauliska diameter hos dess kanal- eller rörliknande element är av storleksordningen 0,5-1,2 mm, vilket dock kan beroende på vätekoncentration, materialval etc. Genom en noggrant avstämd hydraulisk.diameter kan.en effektiv flambegränsande effekt uppnås. variera För att minska ett eventuellt tryckfall i avgassystemet kan en högre hydraulisk diameter än den ovan angivna föredras.

Detta kräver i sin tur en lägre vätekoncentration i avgassystemet.

Ett alternativt sätt att förhindra flambildning i katalysatorn 9 (och således erhålla minskade värmeförluster) är att utforma det uppströms belägna ändpartiet på katalyatorn 9 utan någon katalytisk beläggning.

Vidare är katalysatorns 9 bärande struktur företrädesvis tillverkad av ett keramiskt material, lämpligen kordierit.

Detta keramiska material har en viss porositet och kan på så vis absorbera vatten som bildas vid vätets förbränning i katalysatorns washcoat-skikt. Detta vatten kommer på grund av värmeutvecklingen i katalysatorn att avgå under drift. Detta utgör en fördel mot bärande strukturer av _ exempelvis metall som inte har samma porositet och således inte sama förmåga att absorbera.vatten. Istället finns det då en risk för vattenförgiftning av katalysatorn.

För att ytterligare förbättra uppfinningens egenskaper beträffande låga värmeförluster kan ventilen 16 styras så att en pulsad tillförsel av väte tillhandahålls, d.v.s. så att en periodisk till- och frånkoppling av ventilen 16 sker. En sådan styrning är möjlig genom att ventilen 16 är elektriskt styrbar och ansluten till styrenheten 5. På så vis kan styrenheten 5 vara inrättad att omväxlande koppla is 5o9i7à7 l7 på och av ventilen 16. Exempelvis kan ventilen styras så att den är öppen under någon tiondels sekund och därefter stängd under en motsvarande tid.

Genom denna pulsade vätetillförsel uppnås att (den uppströms belägna) frontytan hos katalysatorn 9 kyls av periodiskt så att eventuella tendenser till flambildning reduceras, vilket reducerar värmeförluster i systemet. Om en flamma ändå uppstår i katalysatorn 9 får den genom pulsningen en starkt begränsad utbredning.

I det fall att luften som krävs för förbränningen med väte tillförs via en separat sekundärluftspump väljes insprutningspunkten (längs vätgasledningen 15) för luften från luftpumpen så att vätet och luften blandas väl samt tillförs avgasröret 8 med en gashastighet som överstiger flamhastigheten för väte/luftblandningen. På så vis elimineras risken att en flamma utbreder sig "bakåt" i ledningen 15.

Enligt en ytterligare utföringsform, som visas i figur 2, kan en avgaskatalysator 9' kombineras med en HC-adsorbent 24. En sådan HC-adsorbent är i sig känd och utnyttjas för adsorption av HC-föreningar i avgaserna från motorn. Efter en viss tid, vilken motsvarar att HC-adsorbenten 24 har värmts upp och nått en förutbestämd temperatur, kommer de adsorberade HC-föreningarna att avges och på så vis ströma genom katalysatorn 9'. Detta innebär att katalysatorn 9' då renar HC-föreningarna. Som framgår av figur 2 placeras HC- adsorbenten 24 närmast avgasröret 8'. Mellan HC-adsorbenten 24 och katalysatorn 9' bildas en volym 25 i vilken en blandning av väte och luft matas in via en ledning 26. På ett sätt som är analogt med vad som anges ovan tillförs företrädesvis luften från en sekundärluftspump och blandas i ledningen 26 næd väte, företrädesvis från en elektrolysanordning. Blandningen tillförs volymen 25, där is 509 787 18 förbränning sker. På så vis kan katalysatorn 9 snabbt värmas upp till sin tändtemperatur.

Utföringsformen enligt figur 2 kan också kombineras med medel för minskning av värmeförluster, t.ex. flambegränsning, i analogi med vad som förklarats ovan i anslutning till figur 1. genom Uppfinningen är inte begränsad till ovan beskrivna och på ritningarna visade utföringsexempel, utan kan varieras inom ramen för de efterföljande patentkraven. Exempelvis kan de ovannämnda "pre-crank"- och 'post-crank"-förloppen kombineras, d.v.s. de kan initieras i en följd efter varandra under' motorns startsekvens. Vidare gäller att uppfinningen är verksam för att förhindra såväl CO- som.HC- förgiftning av en katalysator. Härvid kan noteras att HC- förgiftning främst kan förekoma vid dieselmotorer.

Enligt ovanstående genereras väte ombord på fordonet via en elektrolysprocess. Alternativt kan uppfinningen utnyttja en utbytbar vätgasbehållare (för lagring av väte under tryck) som monteras i fordonet och byts ut eller fylls på efter att den har tömts.

Claims (19)

10 is 20 25 30 35 509 767 19 PATENTKRAV:

1. Anordning för ndnskning av skadliga utsläpp från en förbränningsmotor (1) genom snabb uppvärmning av en avgaskatalysator (9) som är anordnad i ett avgassystem (8) hörande till nämnda motor (1), innefattande medel (11, 16) för tillförsel av väte och medel (2l; 11, 13) för tillförsel av luft till avgassystemet (8) uppströms nämnda katalysator (9), varvid blandningen av väte och luft ger upphov till spontan exotermisk förbränning i anslutning till katalysatorn (9), samt en styrenhet (S) för styrning av funktionen hos nämnda medel (11, 13, 16, 21), k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att nämnda styrenhet (5) är inrättad för styrning av tillförseln av luft och väte till avgassystemet i anslutning till start av motorn (1) under en tidsperiod (t) som åtminstone löper tills avgaskatalysatorn (9) har nätt en gränstemperatur där dess funktion inte hämmas av CO- eller HC-förgiftning.

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att nämnda medel för tillförsel av luft till avgassystemet (8) innefattar en luftpump (21) som är inrättad att aktiveras under en förutbestämd tidsperiod före start av motorn (1).

3. Anordning enligt, patentkrav 1. eller 2, k ä n n e - t e c k n a d d ä r a v, att nämnda medel för tillförsel av väte till avgassystemet (8) innefattar en vätebehållare (11), en väteledning (12) som är ansluten mellan vätebehållaren (11) och motorns (1) inlopp (2), samt en styrbar ventil (13) anordnad i väteledningen (12), varvid styrenheten (5) är inrättad för tillförsel av väte till 10 is 20 25 30 35 509 787 20 motorn (1) så att magerdrift av motorn (1) kan tillämpas, varvid ett syreöverskott genereras i motorns (1) avgaser.

4. Anordning enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att nämnda styrenhet (5) är inrättad att mata huvudsakligen endast vätgas till motorn (1) under en viss tidsperiod omedelbart efter start.

5. Anordning enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att styrenheten (5) är inrättad för en gradvis ökning av tillförseln av flytande bränsle till motorn (1) och en gradvis ndnskning av nängden tillfört väte när katalysatorn (9) har nått en förutbestämd temperatur.

6. Anordning enligt något av patentkraven 3-5, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att styrenheten (5) är inrättad att tillföra väte och flytande bränsle parallellt till motorn (1) under start och en viss tidsperiod omedelbart efter start.

7. Anordning enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att styrenheten (5) är inrättad för matning av en mängd vätgas till avgassystemet (8) som uppgår till 0- 28% av den totala mängden väte och luft, företrädesvis 3- 18%.

8. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den innefattar en anordning för förhindrande av flambildning i avgassystemet (8) eller katalysatorn (9).

9. Anordning enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att nämnda anordning för förhindrande av flambildning utgörs av en flamsläckare utformad med genomgående kanal- eller rörliknande element vars hydrauliska diameter är av storleksordningen 0,5-1,2 m. 10 is 20 25 30 35 509 787' 21

10. Anordning enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att nämnda anordning för' förhindrande- av flambildning avsnitt hos katalysatorn (9) som är katalytisk beläggning, för begränsning av eventuell flambildning. utgörs av 'åtminstone ett utformat utan

11. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att nämnda styrenhet (11) är inrättad för periodisk till- och frånkopplíng av nämnda tillförsel av väte till avgassystemet (8).

12. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den innefattar en HC-adsorbent (24) anordnad uppströms nämnda katalysator (9), varvid nämnda tillförsel av luft och väte till avgassystemet (8) sker till en volym (25) som definieras av utrymmet mellan HC-adsorbenten (24) och katalysatorn (9).

13. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att den innefattar en elektrolytisk anordning i anslutning till motorn (1), för generering av nämnda väte.

14. Förfarande för minskning av skadliga utsläpp från en förbränningsmotor (1) genom snabb uppvärmning av en avgaskatalysator (9) som är anordnad i ett avgassystem (8) hörande till nämnda motor (1), innefattande tillförsel av väte och luft till avgassystemet (8) i en punkt uppströms nämnda katalysator (9), varvid blandningen av väte och luft ger upphov till spontan.exotermisk förbränningi.anslutning till katalysatorn (9), samt styrning av funktionen hos nämnda medel (ll, 13, 16, 21), k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att luft och väte tillförs avgassystemet (8) i anslutning till start av motorn (1), under en tidsperiod (t) som åtminstone löper tills avgaskatalysatorn (9) har 10 is 20 25 509 787 22 nått en gränstemperatur där dess funktion inte hämmas av CO- eller HC-förgiftning.

15. Förfarande enligt patentkrav 14, k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v, att nämnda tillförsel av luft till avgassystemet (8) sker under en förutbestämd tidsperiod innan motorn (1) startas.

16. Förfarande enligt patentkrav 14 eller 15, k ä n n e - t e c k n a t d ä r a v, att nämnda tillförsel av luft till avgassystemet (8) sker genom matning av väte till motorn (1) densamma, varvid ett syreöverskott genereras i motorns (1) avgaser. under drift av

17. Förfarande enligt patentkrav 14, k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v, att huvudsakligen endast vätgas matas till motorn (1) under en viss tidsperiod omedelbart efter start.

18. Förfarande enligt patentkrav 17, k ä n n e t e c k - n a t d ä r a v, att det innefattar en gradvis ökning av mängden flytande bränsle till motorn (1) och en gradvis minskning av mängden väte till motorn (1) när katalysatorn (9) har nått en förutbestämd temperatur.

19. Förfarande enligt något av patentkraven 16-18, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att väte och flytande bränsle tillförs parallellt till motorn (1) under start och en viss tidsperiod omedelbart efter start.