WO2010022747A1 - Herstellen von alterungsgas für abgasnachbehandlungssysteme - Google Patents

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WO2010022747A1
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aging gas
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Michael Bahn
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Fev Motorentechnik Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing aging gas for the exhaust gas aftertreatment components, such as catalytic converters and particulate filters, and to a method and apparatus for artificially aged exhaust aftertreatment components, such as catalytic converters and particulate filters, by applying aging gas generated in a burner.
  • the exhaust gas aftertreatment components such as catalytic converters and particulate filters
  • a method and apparatus for artificially aged exhaust aftertreatment components such as catalytic converters and particulate filters
  • on-board diagnostic systems To monitor the durability of the exhaust aftertreatment systems in vehicle operation on-board diagnostic systems (OBD) are required, which when exceeded of exhaust limits indicate to the driver the erroneous operation of the exhaust aftertreatment systems. These on-board diagnostic systems will also be tested for their effectiveness in a type approval with artificially aged exhaust aftertreatment systems.
  • OBD on-board diagnostic systems
  • Catalysts are designed to operate at operating temperatures of 200 to 950 0 C to D. In this temperature range, the aging progresses very slowly. If the operating temperature rises above 85O 0 C 1 , a faster aging occurs, the so-called thermal aging. This increases rapidly when temperatures of more than 1000 ° C are reached. The active surfaces are reduced by sintering processes. At temperatures of 1400 0 C and more, the Kera 5 mik stresses melts, resulting in complete destruction. This usually manifests itself as a loss of engine power due to excessive exhaust back pressure in the catalytic converter.
  • the poisoning of the catalyst can be done in two ways.
  • a chemical poisoning of the active surface by foreign substances such as fuel or oil additives can occur, which by chemical reactions, the catalytic Layer partly destroyed and thus reduced.
  • mechanical poisoning occurs.
  • the active layer is covered by, for example, lead and sulfur from fuel and oil, which in turn leads to their reduction.
  • an OSC measurement is carried out. This serves to determine the oxygen storage capacity of a catalyst, from which then an aging state can be derived. The older the catalyst, the lower the storage capacity.
  • the OSC measurement is used both in production vehicles and in artificial catalyst aging.
  • the OSC measurement is carried out in the stationary state of exhaust gas temperature and mass flow.
  • the lambda signals are measured before and after the catalytic converter.
  • the engine or burner is operated so that the exhaust gas jumps within a short time from a rich mixture (lambda ⁇ 1) to a lean mixture (lambda> 1).
  • the phase shift between the pre- and post-catalyst signal (after lambda jump) is proportional to the oxygen stored in the catalyst.
  • continuous-flow and boundary catalysts can be produced.
  • aging cycles are used which have a comparable aging result to the road-aged catalysts. Measurements are taken at fixed intervals to determine catalyst damage to the catalyst to be tested. This then serves the automobile manufacturers to develop vehicle-specific catalysts with regard to their design, coating and service life. If the optimal vote has been made, the catalyst can be used.
  • more dynamic cycles like the one provided by Congress predetermined standard test cycle or the ZDAKW cycle can be performed, wherein air and / or fuel can be added dynamically before the catalyst to represent an exothermic reaction.
  • boundary catalytic converters are aged until they reach the regionally stipulated OBD emission limits. This limit is then subsequently used to create a control model for the vehicle that can detect the exceeding of emission limits.
  • OBD emission limits To measure the degree of aging of the catalysts is, as in the vehicle, on
  • the thermal aging is used.
  • the aim of this aging method is to age a catalyst so far that it still just complies with the OBD emission limit values. Since each vehicle-specific catalyst behaves differently depending on its coating, it is unpredictable how long the
  • OSC measurements also include an exhaust test to determine the emissions of the aged catalyst. For the catalyst from the test bench in
  • the OSC value is there as a measure of emissions.
  • the OSC value at which the emissions of the vehicle are borderline is determined. Later in the production vehicle can then use a OSC measurement a defective catalyst and non-compliance with the emission limits are detected.
  • the ZDAKW cycle was developed by the Exhaust Center of the German Automotive Industry (ADA). It was developed to have a uniform test procedure for catalyst coatings. This cycle consists essentially of
  • D aging gas is generated for the aging of exhaust aftertreatment systems in burners, where burned depending on the individual case, gasoline or diesel fuel in certain simulation cycles, which should be the same as the exhaust emission in vehicle use.
  • the corresponding operating cycles of the burners used must simulate disturbances such as misfiring and fuel cutoff. can lieren.
  • combustion chamber has a swirl plate, which has a central passage opening, in which injects a fuel injection nozzle, and has circumferentially distributed holes through which the combustion air flows into the combustion chamber.
  • These circumferentially distributed bores have, at least partially from the inlet side to the outlet side, a course with tangential components and radial components, which leads to a twist
  • the object of the invention is to provide a method and a device which, in a stable burner operation, provide aging gases of different temperature with which aging gas with different combustion air ratios in stable burner operation can also be produced.
  • the solution to this is a process for producing aging gas for the aging of components for exhaust aftertreatment, in particular catalytic converters, in a burner having a combustion chamber with at least one fuel injection nozzle and with a combustion air supply with means for swirling generating, wherein the swirl of the combustion air is adjusted depending on the selected combustion air ratio ⁇ .
  • This makes it possible to ensure a stable operation for different combustion air conditions with different process parameters by specific presetting of the twist of the combustion air, be it depending on the fuel used (petrol, diesel fuel) or the desired exhaust gas temperature and / or desired exhaust gas composition.
  • the aging gas is produced by combustion of a C-containing fuel with combustion air in the burner.
  • the composition of the aging gas can be modified by admixing additional gas and / or other substances, in particular oil, in order to be as similar as possible to natural engine exhaust gases. Additional gases can be admixed here in pure form from storage, ie from gas cylinders.
  • the aging gas should have a temperature of> 250 0 C, preferably> 700 0 C 5 and in particular from 1000 to 1250 0 C may have, but optionally also a temperature of ⁇ 200 ° C.
  • the combustion air ratio can be varied in predetermined cycles according to the test specification. In this way, the aging exhaust gas
  • D action device with different aging gas compositions and aging gas temperatures, according to a load collective, as it corresponds to a mixed vehicle operation burdened.
  • the exhaust aftertreatment device subjected to cyclic thermal loads
  • a typical aging cycle is in a temperature range of 800 to 1250 ° C. It can also represent special aging cycles in which the Anspringver- hold the exhaust aftertreatment device is simulated on the test bench.
  • the flow of combustion air supplied to the burner must be capable of mass flow regulation, in particular by means of an external combustion air supply system.
  • the combustion air is swirling in an inner primary air flow of the combustion chamber and supplied in an outer secondary air flow substantially free of twist. This applies in particular when the at least one fuel injection nozzle is centrally located in the combustion chamber. At some distance behind the fuel injection nozzle, an ignition device is to be arranged in the combustion chamber.
  • the fuel injection into the combustion chamber should be controllable with high pressure of more than 20 5 bar clocked clocked.
  • aging gas in an internal backflow in the burner near the at least one fuel injection nozzle of the combustion air.
  • a Venturi effect in the central combustion D air flow is to produce, can be sucked by the recycled aging gas near the fuel injector.
  • This process variant is called primary exhaust gas or aging gas recirculation.
  • the primary aging gas recirculation is reduced when throttling the secondary air flow.
  • the axial position of the burner flame is detected and increased in the rear emanating burner flame, the swirl of the combustion air and with forward emigrating burner flame of the swirl of the combustion air reduced.
  • the proportion of the secondary aging gas recirculation of the burner is changed in particular as a function of the desired aging gas temperature.
  • the aging gas of the secondary aging gas recirculation is preferably added in the burner in the form of a ring jacket flow.
  • the conditioned aging gas may be withdrawn from an aging gas main line downstream of the exhaust aftertreatment components or an aging gas bypass line bypassing these components.
  • aging gas gas or hot conditioned aging gas produced in the burner is mixed in behind the burner and before it enters the exhaust aftertreatment components.
  • the process variant described herewith is referred to as tertiary exhaust gas recirculation or aging gas recirculation.
  • Oil and / or fuels and / or foreign gas and / or air can be added to the aging gas of the secondary and / or the tertiary exhaust gas recirculation or the exhaust gas upstream of the catalytic converter, as is the case with internal combustion with increasing wear of the internal combustion engine due to aging.
  • the advantage here lies in the reproducibility of these process steps in the production
  • a combustion air ratio ⁇ ⁇ 1 (rich fuel mixture) is set in combination with a very high swirl of the primary air flow, resulting in a good ignitability, so that the shutdown phases can be maintained very controlled.
  • exhaust gas can lead to the goal of mass flow reduction by the catalyst in the bypass.
  • the invention comprises a method for aging components for exhaust aftertreatment, in particular catalytic converters, by charging with aging-IO gas, which is prepared according to the above conditions.
  • the artificial aging of an entire exhaust aftertreatment system is hereby carried out in such a way that hot aging gas with C, HC and / or NOx-containing constituents is produced in a burner and passed through the exhaust aftertreatment system. is carried out, wherein the hot aging gas, the corresponding exhaust aftertreatment components for the post-treatment of C, HC and / or NOx-containing components charged in a similar manner, as in driving naturally produced engine exhaust.
  • the invention further comprises a burner for producing aging gas for the aging of components for exhaust gas aftertreatment, in particular exhaust gas
  • the means for generating swirl of the combustion air duct are in particular circumferentially distributed swirl vanes which can be pivoted on journals and are arranged radially to the axis of the combustion chamber. These are preferably engaged with a single rotatable adjusting ring which cooperates with all the swirl vanes.
  • a ring plate or funnel is provided in the combustion air flow upstream of the fuel injection nozzle, which divides the combustion air flow into an inner primary air flow and into an outer secondary air flow, wherein the means for generating swirl preferably lie in the primary air flow.
  • the means for generating swirl preferably lie in the primary air flow.
  • the means for controlling the volume flow of the combustion air flow are provided, which can act in particular on the outer secondary air flow.
  • the means for controlling the volume flow of the combustion air flow are designed as a ring of adjustable apertured diaphragms arranged concentrically with the fuel injection nozzle.
  • one or more special sensors may be provided, in particular temperature sensors which are distributed over the length of the combustion chamber.
  • a flame tube is arranged concentrically, which ends before the end of the combustion chamber and has circumferentially distributed near the fuel injector outlet openings for flowing back primary aging gas. So this in self-contained return current
  • the outlet openings are located in the flame tube in a nozzle-like narrowed portion of the flame tube behind the fuel injector, wherein in the primary combustion air flow creates a Venturi effect.
  • a further favorable embodiment is that within the Brennermann- 0 a concentric to the combustion chamber axis arranged mixing tube is formed with the burner shell forms an annular space to which a feed port for conditioned recycled aging gas is connected, wherein the mixing tube extends beyond the length of the flame tube and has circumferentially distributed outlet openings for the conditioned aging gas behind the end of the flame tube.
  • This embodiment serves, in particular, for admixing secondary recirculated conditioned aging gas, as described above in connection with the method guides.
  • the invention comprises an installation for the artificial aging of catalytic converters or exhaust aftertreatment systems by applying aging gas generated in a burner, in which a burner according to one of the aforementioned is used.
  • Such a system consists of the components air supply, Kaftstoffmakers, burners with mixing device, aging path for the aging exhaust aftertreatment components and aging gas recirculation.
  • the burner is supplied with combustion air via the air supply in order to produce an ignitable mixture with the fuel later on. It is sucked in via an air filter fresh air, which is compressed by a Roots compressor, which is driven by an induction motor. Due to the pressure gradient to
  • the fuel is pumped to the burner by means of a fuel pump.
  • a mass flow meter measures the throughput of fuel.
  • the unused fuel is cooled by a countercurrent heat exchanger.
  • a high-pressure pump now brings the fuel to a pressure of 50 bar, which is needed for the injection valve.
  • an intake manifold also called burner head
  • burner head forms the transition from the cold to the hot part of the plant.
  • burner chamber 5 forms the transition to the exhaust aftertreatment system via a flange.
  • the mixing device consists essentially of the components air control apparatus with twisting device and orifice, injection nozzle with injection valve and the flame tube.
  • the mixing device has the task of mixing the fuel and the combustion air so that a combustible mixture is produced, which is combusted in the flame tube in order to provide at the outlet of the burner an exhaust gas mixture which is similar to the exhaust gases of a gasoline engine or diesel engine.
  • the exhaust gas After leaving the flue tube, the exhaust gas is progressively cooled by i ⁇ admixture with the cooled conditioned secondary exhaust gas recirculation (EGR) aging gas.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • the lateral feed creates a swirling flow around the mixing tube.
  • baffles and holes By baffles and holes, the colder recirculated aging gas is forced into the interior of the combustion chamber, so that at the rear of an ever lower temperature aging gas is produced.
  • targeted "5 admixing air influence can also be made to the exhaust gas temperature at the burner outlet.
  • the mass flow which then flows through the exhaust aftertreatment system, composed of fresh air mass flow, EGR mass flow and fuel mass flow together.
  • the aging section extends between two flange connections.
  • the first one is located directly behind the burner outlet, while the second one sits in front of a soot particle filter.
  • the flanges have a constant distance, so that the catalysts to be treated can be adapted in advance to the system. Since the geometry and the exhaust system of the catalysts to be aged are usually very different, this adaptation must always be done individually.
  • each catalytic converter is equipped with pre- and post-catalyst connection sockets for lambda probes and several screw-in sockets for thermocouples and temperature sensors. Taking into account the aging gas capacity of the burner and the aging gas requirement of the catalysts, two or more catalysts can be connected in parallel in the aging section. In this case, at least one bypass line to the catalysts in the aging section can be provided for mass flow control.
  • the aging gas recirculation takes a part of the exhaust gas mass flow upstream of the exhaust gas chimney in order to mix it back into the original aging gas.
  • the hot aging gas is passed through a countercurrent heat exchanger, which cools it to about 40 0 C.
  • the now cooled aging gas is passed through a cyclone separator to filter out the liquid phase after cooling.
  • a hot-film air mass sensor (HFM) is used to determine the mass flow of the recirculated aging gas in order to control it via a following throttle valve and a Roots compressor.
  • HARM hot-film air mass sensor
  • the cooled aging gas passes to the burner, where it is added via the mixing tube to the hot, originally produced aging gas.
  • Figure 1 shows a burner according to the invention in an overall view in an oblique view with partial section
  • Figure 2 shows a part of the burner with combustion chamber of Figure 1 in an oblique view with partial section
  • FIG. 3 shows the front region of the burner according to FIGS. 1 and 2 with an air supply bend in an oblique view with a partial section;
  • Figure 4 shows the mechanical parts for air supply control and the beginning of the flame tube according to Figures 1 to 3 in longitudinal section;
  • Figure 5 shows a schematic diagram of a system according to the invention for the artificial aging of catalytic converters
  • Figure 6 shows an example of an inventive plant for the artificial aging of catalytic converters in side view.
  • FIG. 7 shows a diagram of an OSC measurement on a catalytic converter.
  • FIG. 8 shows a diagram of the ZDAKW catalyst aging cycle.
  • FIG. 1 shows a burner 10 according to the invention with a combustion chamber 11 which comprises an outer rotationally symmetrical burner jacket 12 which extends between an inlet flange 13 and an outlet flange 14 and comprises three longitudinal sections 16, 17, 18 with diameter decreasing from the inlet flange to the outlet flange. each connected via conical transition regions 19, 20 with each other.
  • a support flange 15 is screwed, which comprises an outer collar and an inner annular shoulder, which are designated in more detail in the following figures. The collar centers the input flange 13, to which the burner jacket 12 is attached.
  • the inner ring approach on Carrier flange 15 externally carries a mixing tube 21 for recycled conditioned aging gas and extends at a radial distance over the length of the first two sections 16, 17 of the burner jacket 12 and the two conical transitional areas 19, 20. From the transition region 19 to the transition region 20 respectively has the mixing tube 21 substantially uniformly distributed inlet openings 22.
  • the inner annular shoulder on the support flange 15 carries inside a cylindrical flame tube 23 which extends in length substantially over the first portion 16 of the largest diameter of the burner jacket 12.
  • a cylindrical flame tube 23 which extends in length substantially over the first portion 16 of the largest diameter of the burner jacket 12.
  • two rows of recirculation openings 24 are provided for a primary aging gas recirculation, which will be explained later.
  • an aging gas return pipe 26 is connected, which opens shortly after the input flange 13 in an annular space 27 between the burner jacket 12 and additional guide tube 21.
  • This aging gas return pipe 26 serves the so-called secondary aging gas recirculation.
  • a mixing device 25 Connected upstream of the flame tube 23 is a mixing device 25 having a fuel injector 31 and an air control apparatus 32.
  • the air control apparatus 32 includes an adjustable swirl device and an adjustable orifice for the combustion air which will be discussed later.
  • the Lucaszu Genkrümmer 34 has, in addition to the connecting flange 33 on an input flange, which is not shown here. Further details of the latter parts are shown in the following figures.
  • the principle used for combustion management corresponds to that of a spin-stabilized burner.
  • the fresh air flows from behind from the cooled Heilzu Georgiakrümmer 34 in the mixing device 25 a. There, the air duct divides into an inner primary and an outer secondary air flow.
  • the Primary air flow flows the fresh air inside over the swirl device. Then it is mixed with the injected fuel before a primary air bore in the orifice plate and the combustible fuel-air mixture enters the flame tube 23.
  • the secondary air flow the fresh air around the swirl device
  • the amount of air can be variably divisible by the swirl (primary air bore) and around them (secondary air holes) are controlled.
  • the Heilströmungsgesehwindtechnik changes at the outlet of the mixing device 25, whereby a negative pressure at the recirculation bores 24 of the flame tube 23 is established.
  • recirculation bores 24 serve to stabilize the flame.
  • aging gas is sucked in via the recirculation bores 24 on the outside of the flame tube 23 (venturi effect). The aging gas is thus deposited from the outside like a cloak around the flame.
  • FIG. 2 the same details as in FIG. 1 are designated by the same reference numerals. The foregoing description is referred to.
  • the collar 28 and the annular shoulder 29 on the support flange 15 are designated for the first time.
  • the flange 13 is attached to the mixing tube 21.
  • the air control apparatus 32nd sits an inserted carrier ring 30, the air control apparatus 32nd
  • the central fuel injector 31 is supplied via a line, not shown, with fuel passing through a passage 39 in the Air supply manifold 34 enters the latter.
  • an inner shaft 65 for adjusting the swirling device and a coaxial hollow shaft 68 for adjusting the orifice plate enter the air supply manifold 34.
  • the support ring 30 is connected in the annular shoulder 29 with the flame tube 23 as well as the air control apparatus 32, this comprises a first annular disc 51 having a plurality of air passage holes 52 having a central opening for receiving the fuel injector 31.
  • a rotatable annular disc 53 In the flow direction behind the annular disc 51 is a rotatable annular disc 53 and a
  • annular disc 54 5 fixed annular disc 54.
  • the two annular discs 53, 54 are separated by an insulating disk 57 from each other.
  • the annular discs form an orifice with each other. They each have a central outlet opening 55 for the primary air and a ring of orifices 56 for the secondary air.
  • the annular disk 53 is rotatable relative to the annular disc 54 by means of adjusting means which are not discernible here, so that the
  • 0 pinholes 56 can be throttled in the annular disc 54, or can be reduced in the passage cross-section.
  • annular jacket 61 Between the two annular disks 51 and 53 extends an initially cylindrical and then funnel-shaped annular jacket 61, which has an internal primary combustion
  • «5 airflow ring separates from an outer secondary combustion airflow ring.
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a plant for catalytic converter aging, which comprises as a central component a burner 10 according to the invention.
  • the system comprises parts of a fuel supply 71 and parts of a combustion air supply 81.
  • a fuel tank 72, a Kraftstoffvorier- pump 73 and a low-pressure fuel pump 74 and a high-pressure fuel pump 75 with electric motor can be seen.
  • a mass flow sensor 76 is arranged.
  • a recirculation loop parallel to the low pressure fuel pump 74 includes a pressure control valve 77 and a fuel recooler 78.
  • a return loop parallel to the high pressure pump 75 includes a pressure control valve 79 and a fuel recooler 80.
  • an air filter 82 and a mass flow sensor 83 can be seen.
  • a throttle valve 84 is arranged and 5 a Roots compressor 85 with frequency-controlled electric motor. Behind the compressor 85 is a charge air cooler 86 in the combustion air line before entering the burner 10th
  • the burner 10 When fuel and combustion air are supplied with the specified means 71, 81, the burner 10, after being ignited by an igniter (not shown here), generates aging gas which can pass through catalytic converters 91, 92 and a diesel particulate filter 95, the catalytic converters, for example, TWC or DOC. or SCR or CDPF catalysts and are parallel to each other.
  • the AI The main branching line 100 is branched onto two aging gas branch lines 115, 116 to the catalytic converters 91, 92 and a central aging bypass line 119.
  • control valves 93, 94 in front of the catalysts 91, 92 and control valves 117, 118 behind the catalysts with which distributes the mass flows, in particular the same size can be set.
  • bypass line 114 is a metering valve 120 and a switching valve 121, with which the size of the bypass flow and thus the mass flows can be controlled to the catalysts.
  • the branch lines 115, 116 and the bypass line 119 are brought together again to the aging gas main line 100. With the controllable burner 10 certain operating cycles are passed, which serve the standard-compliant aging of the catalytic converters 91, 92 and, where appropriate, the diesel particulate filter 95.
  • the line scheme can be supplemented analogously for the admission of further parallel-connected catalysts.
  • the main stream of aftertreated aging gas is removed from the main aging gas line 100 via an exhaust stack 101, while a partial stream is returned to the burner 10 via a secondary return line 98 as a post-treatment aftertreated secondary aging gas.
  • a secondary aging gas bypass line 114 aging gas can be diverted behind the burner 10 and before the exhaust aftertreatment system and recycled as a secondary aging gas to the burner.
  • a control valve 122 for the exhaust-aftertreated aging gas and in the return line 114 is a control valve 124 for the non-post-treated aging gas, with which the composition of the secondary aging gas can be changed.
  • an exhaust gas heat exchanger 102 In the return line 98 for the secondary aging gas is an exhaust gas heat exchanger 102 and a Kondensatabscheider 103 with a controllable discharge valve 104.
  • the Kondensatabscheider 103 is followed by a Massenstromsenor 105. Subsequently, there is a throttle 106 and a Roots compressor 107, which is driven by a frequency-controlled electric motor.
  • a return leading branch line 99 which opens into the aging gas main line 100 behind the burner, wherein the junction is followed by a mixer 96. This can serve for so-called tertiary aging gas recirculation.
  • a controllable shut-off valve 109 is arranged in the return branch line 99.
  • liquids such as oil or fuel or foreign gases can be admixed with the tertiary aging gas, for each stub lines 112, 113 are provided to the mixer 108 with controllable inlet valves 110, 111.
  • an aging gas bypass line 123 bypasses the mixer 96 bypassing the main aging gas line and is branched to two cooled and conditioned aging gas branch lines 125, 126 respectively into the aging gas branch lines 115, 116 to the exhaust catalysts 91, 92 to lead.
  • control valves 127, 128 are used to measure the admixture of cooled aging gas, with which the aging gas temperature can be influenced in the exhaust gas catalysts, in particular can be lowered.
  • a burner 10 which is covered with an insulating jacket 50 and the two here in series catalytic converters 91 ', 92' and a diesel particulate filter 95 are modeled.
  • the aging gas main line 100 opens into an exhaust stack 101. From this main line branches off a return line 98, in which an aging gas recooler 102 is arranged. Following the recooler a Kondensatabscheider 103 is arranged with a drain valve 104. Downstream of this, a mass flow sensor 105 and a throttle valve 106 are provided in the return line 98. Behind the throttle valve 105, a Roots compressor 107 can be seen in the line 98, which can be driven by a frequency-controlled electric motor.
  • FIG. 7 shows the diagram of an exemplary OSC measurement according to lambda values over time, measured with a lambda probe installed upstream of the catalytic converter, whose measurement signal is designated as "lambda before catalytic converter", and with a lambda sensor installed behind the catalytic converter , whose measurement signal is referred to as "lambda to Kat".
  • an OSC measurement is carried out.
  • This OSC measurement serves to determine the oxygen storage capacity of a catalyst, from which an aging state can be derived. The older the catalyst, the lower the oxygen storage capacity.
  • the OSC measurement is used both in production vehicles and in artificial catalyst aging.
  • the OSC measurement is carried out in the stationary state of exhaust gas temperature and mass flow.
  • lambda signals are measured before and after the catalytic converter.
  • the burner is now supplied with fuel that jumps the exhaust within a short time from a rich mixture (lambda ⁇ 1) to a lean mixture (lambda> 1), the desired course being represented by the curve "lambda setpoint" Phase shift between pre-catalytic converter signal “lambda before catalytic converter” and downstream catalytic converter signal “lambda after catalytic converter” in proportion to the oxygen stored in the catalytic converter 7.
  • FIG. 7 shows such a measurement on the catalytic converter aging test bench.
  • the catalyst measured here still has a high oxygen storage capacity. It can be clearly seen that the lambda signal after the catalytic converter (lambda after Kat) rises more slowly than the lambda signal before the catalytic converter (lambda before catalytic converter) and only seconds later reaches its maximum value. A boundary catalyst shows a different behavior. Shortly after reaching the maximum value of the lambda signal from the sensor in front of the catalytic converter, the lambda value at the sensor downstream of the catalytic converter would also reach maximum values. Both lambda signals would rise almost simultaneously.
  • FIG. 8 shows the diagram of the ZDAKW cycle developed by the German Automobile Exhaust Center (ADA). It is the target temperature T-soll shown over time, wherein the target value of the combustion air ratio ⁇ -soll is equal to 1, with the exception of the phases of the fuel cut, in which the combustion air ratio ⁇ is set equal to or greater than 8.
  • This cycle consists essentially of a high-temperature phase with five fuel cutoffs each and a poisoning phase with three temperature levels together.
  • the fuel injection is interrupted for a short time and the exhaust gas recirculation mass flow is reduced in parallel.
  • the catalyst is purged with oxygen and a lambda value of greater than or equal 8 is set.
  • the lambda rises again to the regulated value of ⁇ equals 1.
  • This process is intended to simulate the driving mode in the event of sudden removal of gas and the addition of gas.
  • the poisoning phase a slightly richer mixture of the exhaust gas is passed over the catalyst at low temperature levels. This has the consequence that the catalytically active layer is reduced by chemical poisoning.
  • the high-temperature phase of 600 sec duration is passed through 48 times.
  • the intoxication phase of 30 minutes duration is passed through 8 times, the total cycle lasts 96 hours.
  • the total cycle corresponds to a running distance of 80,000 km vehicle operation.
  • Transition section 0 Transition section 1
  • Mixing tube 2 Inlet port 3 Flame tube 4 Recirculation port 5
  • Mixing device 6 Aging gas return tube 7
  • Annular space 8 Flange 9 Ring shoulder 0 Carrier ring 1
  • Fuel injector 2 Air control device 3
  • Carrier flange 4 Air intake manifold 5
  • Flange 8 Shell chamber 9 Through nozzle 0 Through nozzle swirl blade
  • Ring disc (rotatable)

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Alterungsgas zum Altern von Komponenten zur Abgasnachbehandlung in einem Brenner, der eine Brennkammer mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzdüse und mit einer Verbrennungsluftzuführung mit Mitteln zur Drallerzeugung aufweist, wobei der Drall der Verbrennungsluft in Abhängigkeit vom gewählten Verbrennungsluftverhältnis ? eingestellt wird.

Description

Herstellen von Alterungsgas für Abgasnachbehandlungssysteme
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Alterungsgas für die Alterung von Komponenten zur Abgasnachbehandlung wie Abgaskatalysatoren und Partikelfilter sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum künstlichen Altem von Komponenten zur Abgasnachbehandlung wie Abgaskatalysatoren und Partikelfiltern durch Beaufschlagen mit in einem Brenner erzeugten Alterungsgas. Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren sind durch Emissionsgesetze reglementiert, die heute nur durch Abgasnachbehandlungssysteme eingehalten werden können, die den Verbrennungsmotoren im Abgasstrang nachgeschaltet sind.
Diese Abgasnachbehandlungssysteme müssen eine gesetzlich vorgeschriebene Haltbarkeit aufweisen. Für die Europäische Union ist dies nach Einführung der Abgasstufe EURO 4 eine Haltbarkeit von zumindest 100.000 km Fahrleistung des Kraftfahrzeuges, während nach der Einführung der Abgasstufe EURO 5 eine Haltbarkeit von 160.000 km Fahrleistung vorgeschrieben ist. Für eine Homologisierung (Typenzulassung) eines Kraftfahrzeuges muß die Dauerhaltbarkeit der entsprechenden Abgasnachbehandlungssysteme nachgewiesen werden. Hierfür werden Verfahren zur künstlichen Alterung zugelassen, die die Abnutzungs- und Schädigungsprozesse im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges während der Lebensdauer durch Prüfstandsbe- trieb simulieren sollen.
Zur Überwachung der Haltbarkeit der Abgasnachbehandlungssysteme im Fahrzeugbetrieb werden On-Board-Diagnose-Systeme (OBD) verlangt, die bei Überschreiten von Abgasgrenzwerten dem Fahrer den fehlerhaften Betrieb der Abgasnachbehandlungssysteme anzeigen. Diese On-Board-Diagnose-Systeme werden ebenfalls bei einer Typenzulassung mit künstlich gealterten Abgasnachbehandlungssystemen auf ihre Wirksamkeit überprüft.
5
Alterung
Als Alterung eines Katalysators bezeichnet man den nachlassenden Weitungsgrad der Abgasnachbehandlung durch den Betrieb, u. a. durch die Zerstörung der kataly- o tisch aktiven Schicht. Durch die Verkleinerung der aktiven Oberfläche können nicht mehr alle Emissionen oxidiert bzw. reduziert werden, so daß die Emissionen nach dem Katalysator, die an die Umwelt abgegeben werden, ansteigen. Für die Alterung von Katalysatoren sind im wesentlichen zwei Mechanismen verantwortlich, die je nach Betriebspunkt zusammen oder auch getrennt auftreten können. Beide Mecha-
5 nismen werden auch zur gezielten Katalysatoralterung eingesetzt.
Thermische Alterung
Katalysatoren sind darauf ausgelegt, bei Betriebstemperaturen von 200 bis 9500C zu D arbeiten. In diesem Temperaturbereich schreitet die Alterung sehr langsam voran. Steigt die Betriebstemperatur über 85O0C1 erfolgt eine schnellere Alterung, die so genannte thermische Alterung. Diese nimmt rapide zu, wenn Temperaturen von mehr als 1000°C erreicht werden. Dabei werden die aktiven Oberflächen durch Sintervorgänge verkleinert. Bei Temperaturen von 14000C und mehr schmilzt der Kera- 5 mikkörper, was zur vollständigen Zerstörung führt. Dies macht sich normalerweise durch einen Leistungsverlust des Motors infolge eines zu hohen Abgasstaudrucks im Katalysator bemerkbar.
Vergiftung
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Die Vergiftung des Katalysators kann auf zwei Arten geschehen. Zum einen kann eine chemische Vergiftung der aktiven Oberfläche durch Fremdstoffe wie z.B. Kraftstoff oder Öladditive auftreten, die durch chemische Reaktionen die katalytische Schicht zum Teil zerstört und so reduziert. Zum anderen tritt mechanische Vergiftung auf. Dabei wird die aktive Schicht durch z.B. Blei und Schwefel aus Kraftstoff und Öl abgedeckt, was wiederum zu deren Reduzierung führt.
OSC Messung (Oxigen Storage Capacity)
Um eine Aussage über den Alterungsgrad eines Katalysators treffen zu können, wird eine OSC-Messung durchgeführt. Diese dient der Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators, woraus dann ein Alterungszustand abgeleitet werden kann. Je älter der Katalysator, desto geringer die Speicherkapazität. Die OSC-Messung wird sowohl in Serienfahrzeugen als auch in der künstlichen Katalysatoralterung eingesetzt.
Die OSC-Messung wird im stationären Zustand von Abgastemperatur und - Massenstrom durchgeführt. Dazu werden vor und nach dem Katalysator die Lambdasignale gemessen. Der Motor oder Brenner wird so betrieben, daß das Abgas innerhalb kurzer Zeit von einem fetten Gemisch (Lambda <1) auf ein mageres Gemisch (Lambda >1) springt. Die Phasenverschiebung zwischen Vor-und Nachkatalysatorsignal (nach Lambdasprung) ist proportional zum im Katalysator gespeicherten Sauerstoff.
Künstliche Alterung
Im Wege der künstlichen Alterung mit in einem Brenner erzeugten Alterungsgas können Dauerlauf- und Grenzkatalysatoren erzeugt werden. Bei Dauerlaufkatalysatoren werden Alterungszyklen benutzt, die ein vergleichbares Alterungsergebnis zu den im Straßenverkehr gealterten Katalysatoren besitzen. In festgelegten Intervallen werden Messungen zur Feststellung der Katalysatorbeschädigung des zu prüfenden Katalysators durchgeführt. Dies dient den Automobilherstellern dann zur Entwicklung von fahrzeugspezifischen Katalysatoren bezüglich deren Aufbau, Beschichtung und Lebensdauer. Ist die optimale Abstimmung hierzu erfolgt, kann der Katalysator eingesetzt werden. Zusätzlich können weitere dynamische Zyklen wie der durch den Gesetzgeber vorgegebene Standard-Prüfzyklus oder der ZDAKW-Zyklus durchgeführt werden, wobei Luft und/oder Kraftstoff vor dem Katalysator dynamisch zudosiert werden können zum Darstellen einer exothermen Reaktion.
5 Grenzkatalysatoren hingegen werden soweit gealtert, bis sie die regional gesetzlich festgelegten OBD - Emissionsgrenzen erreichen. Diese Grenze wird dann anschließend benutzt, um ein regelungstechnisches Modell für das Fahrzeug zu erstellen, das das Überschreiten der Emissionsgrenzen detektieren kann. Zur Messung des Alterungsgrades der Katalysatoren steht, wie im Fahrzeug, am
D Brennerprüfstand die so genannte OSC-Messung zu Verfügung.
OBD Grenzkatalysatoralterung (On Board Diagnose)
Bei der OBD Grenzkatalysatorerstellung werden die Katalysatoren bei einem
5 konstanten Betriebspunkt für eine bestimmte Zeit gealtert. Für diesen
Alterungsprozess wird die thermische Alterung benutzt. Ziel dieser Alterungsmethode ist es, einen Katalysator soweit zu altern, daß dieser die OBD Emissionsgrenzwerte gerade noch einhält. Da sich jeder fahrzeugspezifische Katalysator abhängig von seiner Beschichtung anders verhält, ist es nicht vorhersehbar, wie lange der
D Alterungsprozess dauert. Daher wird die Alterung in Intervalle mit anschließender
OSC-Messung unterteilt, um zu verhindern, daß der Katalysator bei zu langer
Alterungszeit über den Grenzwert hinausdriftet und unbrauchbar wird. Parallel zu den
OSC-Messungen wird auch ein Abgastest durchgeführt, um die Emissionen des gealterten Katalysators zu bestimmen. Dafür wird der Katalysator vom Prüfstand in
5 das zugehörige Fahrzeug eingebaut und die Messung auf einem Rollenprüfstand in realitätsnaher Umgebung (realer Motor mit Abgasnachbehandlungssystem) durchgeführt.
Da die Sauerstoffspeicherfähigkeit und die Emissionen antiproportional miteinander D verbunden sind, die Ermittlung der Emissionen im Serienfahrzeug aber aufwendig ist, dient der OSC-Wert dort als Maß für die Emissionen. Bei der OBD- Grenzkatalysatoralterung wird also der OSC-Wert ermittelt, bei der die Emissionen des Fahrzeuges grenzwertig sind. Später im Serienfahrzeug kann dann anhand einer OSC-Messung ein defekter Katalysator und ein Nichteinhalten der Emissionsgrenzen detektiert werden.
ZDAKW Alterung (Zusammenarbeit der deutschen Automobilindustrie zur j Katalysatorweiterentwicklung)
Der ZDAKW Zyklus wurde vom Abgaszentrum der Deutschen Automobilindustrie (ADA) entwickelt. Er wurde entwickelt, um ein einheitliches Prüfverfahren für Katalysatorbeschichtungen zu haben. Dieser Zyklus setzt sich im wesentlichen aus
) einer Hochtemperaturphase mit jeweils fünf Schubabschaltungen und einer Vergiftungsphase mit drei Temperaturniveaus zusammen. Bei der Schubabschaltung wird kurzzeitig die Kraftstoffeinspritzung unterbrochen und parallel der Abgasmassenstrom verringert. Dadurch wird der Katalysator mit Sauerstoff gespült und ein Lambdawert von ca. 8 eingestellt. Bei dem anschließenden Hochfahren des
5 Massenstromes und Wiedereinsetzen der Einspritzung steigt der Lambdawert wieder auf den geregelten Wert von 1. Dieser Vorgang soll den Fahrbetrieb bei plötzlicher Gasabnahme und Gaszugabe simulieren. In der Vergiftungsphase wird bei geringen Temperaturniveaus ein etwas fetteres Gemisch des Abgases über den Katalysator geleitet. Dies hat zur Folge, daß sich die katalytisch aktive Schicht durch chemische
) Vergiftung verringert.
Stand der Technik
Ein Altern von Abgasnachbehandlungssystemen, insbesondere Abgaskatalysatoren, 5 auf Motorprüfständen zu simulieren, ist möglich, jedoch zum einen teuer, zum anderen schlecht reproduzierbar, da Motoralterungseinflüsse eine nicht kalkulierbare Einflußgröße darstellen.
Hiervon ausgehend sind Verfahren und Vorrichtung entwickelt worden, gemäß denen D Alterungsgas für die Alterung von Abgasnachbehandlungssystemen in Brennern erzeugt wird, in denen je nach Einzelfall Ottokraftstoff oder Dieselkraftstoff in bestimmten Simulationszyklen verbrannt werden, die der Abgasentstehung im Fahrzeugeinsatz gleichen sollen. Die entsprechenden Betriebszyklen der eingesetzten Brenner müssen hierbei Störungen wie Zündaussetzer und Schubabschaltung simu- lieren können.
Aus der US 7 140 874 B2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erprobung von Abgaskatalysatoren bekannt, bei denen ein Brenner eingesetzt wird, der vor der
5 Brennkammer eine Drallplatte hat, die eine zentrale Durchgangsöffnung hat, in welche eine Kraftstoffeinspritzdüse einspritzt, und die umfangsverteilte Bohrungen hat, durch die die Verbrennungsluft in die Brennkammer einströmt. Diese umfangsverteil- ten Bohrungen haben zumindest teilweise von der Eintrittsseite zur Austrittsseite einen Verlauf mit Tangentialkomponenten und Radialkomponenten, der zu einem Drall
D der Verbrennungsluft am Eintritt zur Brennkammer führt.
Die Herstellung dieser Drallplatten ist kostenaufwendig, wobei eine optimierte Verbrennung nur bei einem einzigen Betriebspunkt des Brenners möglich ist, während die Alterungszyklen verschiedene Betriebszustände notwendig machen, da das 5 Alterungsgas mit verschiedenen Temperaturen bereitgestellt werden muß und gegebenenfalls auch mit verschiedenen Verbrennungsluftverhältnissen erzeugt sein soll. Dies gilt insbesondere, wenn an den Einsatz von Ottokraftstoff und Dieselkraftstoff im gleichen Brenner gedacht ist.
) Aufgabe
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die in einem stabilen Brennerbetrieb Alterungsgase unterschiedlicher Temperatur bereitstellen mit denen auch Alterungsgas mit ver- 5 schiedenen Verbrennungsluftverhältnissen in stabilem Brennerbetrieb erzeugt werden kann.
Herstellen von Alterungsgas
) Die Lösung hierfür besteht in einem Verfahren zur Erzeugung von Alterungsgas für die Alterung von Komponenten zur Abgasnachbehandlung, insbesondere Abgaskatalysatoren, in einem Brenner, der eine Brennkammer mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzdüse und mit einer Verbrennungsluftzuführung mit Mitteln zur Draller- zeugung aufweist, wobei der Drall der Verbrennungsluft in Abhängigkeit vom gewählten Verbrennungsluftverhältnis λ eingestellt wird. Hiermit ist es möglich, durch gezielte Voreinstellung des Dralls der Verbrennungsluft einen stabilen Betrieb für verschiedene Verbrennungsluftverhältnisse bei unterschiedlichen Prozeßparametern sicher- 5 zustellen, sei es je nach eingesetztem Brennstoff (Ottokraftstoff, Dieselkraftstoff) oder nach gewünschter Abgastemperatur und/oder gewünschter Abgaszusammensetzung.
Das Alterungsgas wird durch Verbrennung eines C-haltigen Kraftstoffs mit Verbren- o nungsluft im Brenner erzeugt. Die Zusammensetzung des Alterungsgases kann durch Zumischung von Zusatzgas und/oder anderen Stoffen, insbesondere Öl, verändert werden, um natürlichen Motorabgasen möglichst ähnlich zu werden. Zusatzgase können hierbei in reiner Form aus Speichern, d. h. aus Gasflaschen zugemischt werden. Das Alterungsgas soll eine Temperatur von > 2500C, vorzugsweise > 7000C 5 und insbesondere von 1000 bis 12500C aufweisen können, wahlweise jedoch auch eine Temperatur von <200°C.
Das Verbrennungsluftverhältnis kann in vorbestimmten Zyklen entsprechend der Prüfvorschrift variiert werden. Auf diese Weise kann die zu alternde Abgasnachbe-
D handlungseinrichtung mit unterschiedlichen Alterungsgaszusammensetzungen und Alterungsgastemperaturen, entsprechend einem Belastungskollektiv, wie es einem gemischten Fahrzeugbetrieb entspricht, belastet werden. Durch Verstellen der Parameter Verbrennungsluftverhältnis sowie der Kraftstoff- und Luftmengen kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung zyklischen thermischen Belastungen unterzogen
5 werden und erfährt somit Bedingungen, wie sie im realen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges vorkommen.
Ein typischer Alterungszyklus liegt in einem Temperaturbereich von 800 bis 1250°C. Es lassen sich auch spezielle Alterungszyklen darstellen, in denen das Anspringver- ) halten der Abgasnachbehandlungseinrichtung am Prüfstand nachgebildet wird.
Eine besonders effektive Sicherung eines stabilen Brennerbetriebs auch bei dynamischen Änderungen der Betriebszustände ist dadurch möglich, daß der Drall der Verbrennungsluft in Abhängigkeit von Änderungen des Verbrennungsluftverhältnisses λ während der Alterungsgaserzeugung verändert wird.
Besonders sinnfällig ist es, wenn der Drall der Verbrennungsluft bei einem Verbren- 5 nungsluftverhältnis λ > 1 (mager/stöchiometrisch) geringer eingestellt wird, als bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 (fettes Verbrennungsluftverhältnis).
Der Strom der dem Brenner zugeführten Verbrennungsluft (Frischluft) muß massen- stromregelbar sein, insbesondere mittels einer externen Verbrennungsluftversor- 0 gungsanlage.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß die Verbrennungsluft in einem innenliegenden Primärluftstrom der Brennkammer drallbehaftet und in einem äußeren Sekundärluftstrom im wesentlichen drallfrei zugeführt wird. Dies gilt insbesonde- 5 re, wenn die zumindest eine Kraftstoffeinspritzdüse in zentraler Anordnung mittig in der Brennkammer liegt. In einigem Abstand hinter der Kraftstoffeinspritzdüse ist eine Zündvorrichtung in der Brennkammer anzuordnen.
Weiterhin ist es günstig, in Anpassung an eine veränderte Kraftstoffeinspritzmenge D auch die zugeführte Verbrennungsluftmenge zu variieren, ohne hierbei übermäßige Auswirkungen auf den Drall entstehen zu lassen. Hierfür ist vorgesehen, daß der außenliegende Sekundärluftstrom drosselbar ist.
Die Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer soll mit hohem Druck von mehr als 20 5 bar getaktet steuerbar erfolgen.
In günstiger Ausgestaltung ist vorgesehen, Alterungsgas in einer internen Rückströmung im Brenner nahe der zumindest einen Kraftstoffeinspritzdüse der Verbrennungsluft zuzumischen. Hierzu ist ein Venturi-Effekt in der zentralen Verbrennungs- D luftströmung zu erzeugen, durch die rückgeführtes Alterungsgas nahe der Kraftstoffeinspritzdüse angesaugt werden kann. Diese Verfahrensvariante wird primäre Abgas- bzw. Alterungsgasrückführung genannt. Um keinen nachteiligen Einfluß auf die Alterungsgastemperatur zu erzeugen, wird bei Drosselung des Sekundärluftstromes auch die primäre Alterungsgasrückführung reduziert.
5 Um stabile, gleichmäßige Verbrennungsabläufe in der Brennkammer sicherzustellen, wird nach einer bevorzugten Verfahrensweise die axiale Position der Brennerflamme, zum Beispiel anhand der Höchsttemperatur, detektiert und bei nach hinten auswandernder Brennerflamme der Drall der Verbrennungsluft erhöht und bei nach vorne auswandernder Brennerflamme der Drall der Verbrennungsluft reduziert. o
In Simulation der im motorischen Betrieb vorkommenden Abgasrückführung, mit der verbesserte Abgaswerte erreicht werden können, wird nach einer weiteren besonderen Verfahrensführung vorgesehen, daß dem originär im Brenner erzeugten Alterungsgas in der Brennkammer konditioniertes Alterungsgas zugesetzt wird.
5
Hierbei kann zur Beeinflussung der Alterungsgastemperatur, die die Abgasnachbehandlungssysteme beaufschlagt, das rückgeführte Alterungsgas gekühlt und getrocknet werden. Diese Verfahrensvariante wird sekundäre Abgasrückführung bzw. sekundäre Alterungsgasrückführung genannt. D
Der Anteil der sekundären Alterungsgasrückführung des Brenners wird insbesondere in Abhängigkeit von der gewünschten Alterungsgastemperatur verändert. Das Alterungsgas der sekundären Alterungsgasrückführung wird im Brenner bevorzugt in Form einer Ringmantelströmung zugesetzt.
5
Das konditionierte Alterungsgas kann einer Alterungsgashauptleitung hinter den Komponenten zur Abgasnachbehandlung entnommen werden oder einer Alterungs- gasbypassleitung, mit der diese Komponenten umgangen werden.
) Nach einer weiteren Ausgestaltungsform ist vorgesehen, daß dem im Brenner er- zeugterv Alterungsgaskalt oder heiß konditioniertes rückgeführtes Alterungsgas hinter dem Brenner und vor dem Eintritt in die Abgasnachbehandlungskomponenten zugemischt wird. Auch hiermit ist eine Einflußnahme auf die Temperatur des in das Ab- gasnachbehandlungssystem eintretenden Alterungsgases möglich. Die hiermit beschriebene Verfahrensvariante wird als tertiäre Abgasrückführung bzw. Alterungsgasrückführung bezeichnet.
5 Dem Alterungsgas der sekundären und/oder der tertiären Abgasrückführung oder dem Abgas vor dem Katalysator kann Öl und/oder Kraftstoffe und/oder Fremdgas und/oder Luft zugesetzt werden, wie es sich bei motorischer Verbrennung bei zunehmendem Verschleiß des Verbrennungsmotors alterungsbedingt ergibt. Der Vorteil liegt hier in der Reproduzierbarkeit dieser Verfahrensschritte bei der Herstellung
10 des Alterungsgases über der Zeit, .d. h. über den Zyklen der Alterungsgasherstellung.
Besonders vorteilhaft am erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß eine Schubabschaltung eines Verbrennungsmotors dadurch simuliert werden kann, daß die Kraftstoffzufuhr zum Brenner unterbrochen und zum erneuten Starten der Brennkammer
15 ein Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 (fettes Kraftstoffgemisch) in Kombination mit einem sehr hohen Drall der Primärluftstrom eingestellt wird, wodurch sich eine gute Zündfähigkeit ergibt, so daß die Abschaltungsphasen sehr kontrolliert eingehalten werden können. Ebenso läßt sich Abgas zum Ziel der Massenstromreduzierung durch den Katalysator im Bypass führen. Zur Steuerung der Massenströme lassen
!0 sich geeignete Abgasklappen verwenden. Ebenso lassen sich mehrere Katalysatoren parallel altern und die Massenströme mittels geeigneter Abgasklappen regeln. Weiterhin lassen sich bei Aufbau von Abgaskrümmern die Temperatur der einzelnen Teilmassenströme jeweils durch eine dosierte Abgasrückführung, und/oder mittels einzelner Abgasklappen, einstellen.
!5
Verfahren zum Altern
Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Altern von Komponenten zur Abgasnachbehandlung, insbesondere Abgaskatalysatoren, durch Beaufschlagen mit Alterungs- IO gas, das nach den vorstehenden Bedingungen hergestellt ist. Das künstliche Altern eines gesamten Abgasnachbehandlungssystems wird hiermit in der Weise vorgenommen, daß heißes Alterungsgas mit C-, HC- und/oder NOx-haltigen Bestandteilen in einem Brenner erzeugt wird und durch die Abgasnachbehandlungsanlage hin- durchgeführt wird, wobei das heiße Alterungsgas die entsprechenden Abgasnachbehandlungskomponenten für die Nachbehandlung von C-, HC- und/oder NOx-haltigen Bestandteilen in ähnlicher Weise belastet, wie im Fahrbetrieb natürlich hergestelltes Motorabgas.
5
Brenner
Die Erfindung umfaßt weiterhin einen Brenner zur Erzeugung von Alterungsgas für die Alterung von Komponenten zur Abgasnachbehandlung, insbesondere Abgaska-
) talysatoren, der eine Brennkammer mit einer Brennkammerachse und zumindest eine Kraftstoffeinspritzdüse und eine Verbrennungsluftzuführung umfaßt, welche Mittel zur Drallerzeugung aufweist, wobei die Mittel zur Drallerzeugung im Sinne einer Veränderung der Drallstärke der Verbrennungsluft verstellbar sind. Die entsprechende Mittel zur Drallerzeugung sind hierbei ohne Demontage des Brenners von außen
5 verstellbar, um eine Voreinstellung des Dralls vorzunehmen oder eine Verstellung des Dralls während des Betriebes zu ermöglichen. Die Verstellung kann gemäß vorprogrammierten Verbrennungszyklen und/oder im Rahmen von Regelungsprozessen erfolgen.
) Die Mittel zur Drallerzeugung der Verbrennungsluftführung sind insbesondere um- fangsverteilte um radial zur Brennkammerachse angeordnete Achsen auf Zapfen schwenkbare Drallschaufeln. Diese sind vorzugsweise mit einem einzigen drehbaren Verstellring im Eingriff, der mit allen Drallschaufeln zusammenwirkt.
i In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Verbrennungsluftstrom vor der Kraftstoffeinspritzdüse ein Ringblech oder Trichter vorgesehen, das den Verbrennungsluftstrom in einen innenliegenden Primärluftstrom und in einen außenliegenden Sekundärluftstrom teilt, wobei die Mittel zur Drallerzeugung bevorzugt im Primärluftstrom liegen. Hiermit ist insbesondere der nahe der Kraftstoffeinspritzdüse liegende
) Verbrennungsluftstrom mit einem veränderbaren Drall zu versehen, während der äußere Sekundärluftstrom, der gegebenenfalls einen größeren Volumenstromanteil ausmacht, in im wesentlichen drallfrei bleibt. Es ist jedoch weiterhin vorgesehen, daß Mittel zur Volumenstromsteuerung des Verbrennungsluftstroms vorgesehen sind, wobei diese insbesondere auf den äußeren Sekundärluftstrom einwirken können. Hierzu sind die Mittel zur Volumenstromsteuerung der Verbrennungsluftstromes als ein konzentrisch zur Kraftstoffe in- 5 spritzdüse angeordneten Ring aus verstellbaren Lochblenden ausgeführt.
Zur Detektierung der axialen Lage der Brennerflamme innerhalb der Brennkammer können ein oder mehrere besondere Sensoren vorgesehen sein, insbesondere Temperaturfühler die über der Länge der Brennkammer verteilt angeordnet sind. o
Weitere konstruktive Merkmale gehen dahin, daß in der Brennkammer ein Flammrohr konzentrisch angeordnet ist, das vor dem Ende der Brennkammer endet und nahe der Kraftstoffeinspritzdüse umfangsverteilte Austrittsöffnungen für rückströmendes primäres Alterungsgas aufweist. Damit dieses in selbständigen Rückstrom
5 zugeführt wird, ist vorgesehen, daß die Austrittsöffnungen im Flammenrohr in einem düsenartig verengten Abschnitt des Flammenrohres hinter der Kraftstoffeinspritzdüse liegen, wobei im primären Verbrennungsluftstrom ein Venturieffekt entsteht.
Eine weitere günstige Ausführungsform geht dahin, daß innerhalb des Brennerman- 0 tels ein konzentrisch zur Brennkammerachse angeordnetes Mischrohr liegt, das mit dem Brennermantel einen Ringraum bildet, an den ein Zuführstutzen für konditioniertes rückgeführtes Alterungsgas angeschlossen ist, wobei das Mischrohr über die Länge des Flammrohrs hinausreicht und hinter dem Ende des Flammrohres umfangsverteilte Austrittsöffnungen für das konditionierte Alterungsgas aufweist. Diese 5 Ausführungsform dient insbesondere der Zumischung von sekundär rückgeführtem konditionierten Alterungsgas, wie zuvor im Zusammenhang mit den Verfahrensführungen beschrieben.
Anlage zum Altern o
Die Erfindung umfaßt eine Anlage zum künstlichen Altern von Abgaskatalysatoren bzw. Abgasnachbehandlungssystemen durch Beaufschlagen mit in einem Brenner erzeugtem Alterungsgas, in der ein Brenner nach einem der vorher genannten Aus- führungsformen eingesetzt ist.
Komponenten der Anlage
5 Eine derartige Anlage besteht aus den Komponenten Luftversorgung, Kaftstoffversorgung, Brenner mit Mischeinrichtung, Alterungsstrecke für die zu alternden Abgasnachbehandlungskomponenten und Alterungsgasrückführung.
Luftversorgung
D
Über die Luftversorgung wird der Brenner mit Verbrennungsluft versorgt, um später mit dem Kraftstoff ein zündfähiges Gemisch zu erzeugen. Es wird über einen Luftfilter Frischluft angesaugt, die über einen Rootsverdichter, der von einem Asynchronmotor angetrieben wird, verdichtet wird. Aufgrund des Druckgefälles zur
5 Umgebungsluft am Abgaskamin hinter dem Abgasnachbehandlungssystem entsteht ein Massenstrom in diese Richtung. Der Asynchronmotor wird über einen Frequenzumrichter drehzahlgeregelt. Anschließend kann die Temperatur der verdichteten Verbrennungsluft über einen Gegenstromwärmetauscher heruntergekühlt werden. Nach dem Luftfilter mißt ein Heißfilmluftmassensensor
D (HFM) den Massenstrom, der über eine anschließende Drosselklappe geregelt wird. Die schnell regelnde Drosselklappe ist notwendig, da der Rootsverdichter zu träge ist, um die schnellen Massenstromänderungen, die für verschiedene Zyklen benötigt werden, zu realisieren. So gelangt die Verbrennungsluft mit einem bestimmten Massenstrom und bestimmter Temperatur an den Brennerkopf.
5
Kraftstoffversorgung
Aus einem Tank wird mittels einer Kraftstoffpumpe der Kraftstoff zum Brenner gepumpt. Ein Massenstrommesser misst den Durchsatz an Kraftstoff. Über einen 0 Gegenstromwärmetauscher wird der nicht benötigte Kraftstoff gekühlt. Eine Hochdruckpumpe bringt nun den Kraftstoff auf einen Druck von 50 bar, der für das Einspritzventil benötigt wird. Brenner mit Mischeinrichtung
Eingangsseitig bildet ein Eintrittskrümmer, auch Brennerkopf genannt, den Übergang vom kalten zum heißen Teil der Anlage. Ausgangsseitig bildet die Brennerkammer 5 den Übergang zum Abgasnachbehandlungssystem über einen Flansch.
Zur Kühlung der Bauteile in der Mischeinrichtung wird der zweischalige Eintrittskrümmer durch einen Kühlwassermantel gekühlt.
o Die Mischeinrichtung besteht im wesentlichen aus den Komponenten Luftsteuerungsapparat mit Drallvorrichtung und Blende, Einspritzdüse mit Einspritzventil und dem Flammrohr.
Die Mischeinrichtung hat die Aufgabe, den Kraftstoff und die Verbrennungsluft so zu 5 vermischen, das ein brennbares Gemisch entsteht, das im Flammrohr verbrannt wird, um am Austritt des Brenners ein Abgasgemisch bereitzustellen, das den Abgasen eines Ottomotors oder Dieselmotors ähnelt.
Nachdem das Abgas das Flammrohr verlassen hat, wird es nach und nach durch iθ Beimischung von dem gekühlten konditionierten Alterungsgas der sekundären Abgasrückführung (AGR) herabgekühlt. Durch die seitliche Zuführung entsteht um das Mischrohr herum eine Drallströmung. Durch Prallbleche und Bohrungen wird das kältere rückgeführte Alterungsgas in das Innere der Brennkammer gedrückt, so daß nach hinten ein immer niedriger temperiertes Alterungsgas entsteht. Durch gezieltes »5 Beimischen von Luft kann zusätzlich Einfluss auf die Abgastemperatur am Brennerausgang genommen werden. Dabei setzt sich der Massenstrom, der anschließend durch das Abgasnachbehandlungssystem strömt, aus Frischluftmassenstrom, AGR-Massenstrom und Kraftstoffmassenstrom zusammen.
$0 Mittels Temperaturmessung an mehreren Stellen der Brennkammer kann die Position der Flamme detektiert werden und die Position über eine Veränderung des Dralls eingestellt werden. Alterungsstrecke
Die Alterungsstrecke erstreckt sich zwischen zwei Flanschverbindungen. Die erste befindet sich direkt hinter dem Brennerausgang, während die zweite vor einem Rußpartikelfilter sitzt. Die Flansche haben einen konstanten Abstand, so daß die zu behandelnden Katalysatoren schon vorab an die Anlage angepaßt werden können. Da Geometrie und Abgasführung der zu alternden Katalysatoren meist sehr unterschiedlich sind, muß diese Anpassung immer individuell geschehen. In der Regel ist jeder Katalysator mit Vor- und Nachkatalysatoranschlussmuffen für Lambdasonden und mehreren Einschraubmuffen für Thermoelemente und Temperatursensoren versehen. Unter Berücksichrtingung der Alterungsgaskapazität des Brenners und des Alterungsgasbedarfs der Katalysatoren können zwei oder mehr Katalysatoren in der Alterungsstrecke parallel geschaltet werden. Hierbei kann zur Massenstromregelung mindestens eine Bypaßleitung zu den Katalysatoren in der Alterungsstrecke vorgesehen sein.
Alterungsgasrückführung
Die Alterungsgasrückführung entnimmt dem Abgasmassenstrom vor dem Abgaskamin einen Teil, um diesen abgekühlt wieder dem originären Alterungsgas beizumischen. Dazu wird das heiße Alterungsgas über einen Gegenstromwärmetauscher geleitet, der es auf ca. 400C abkühlt. Das nun abgekühlte Alterungsgas wird über einen Zyklonabscheider geleitet, um die flüssige Phase nach der Abkühlung herauszufiltem. Über einen Heißfilmluftmassensensor (HFM) wird nun der Massenstrom des rückgeführten Alterungsgases bestimmt, um diesen über eine folgende Drosselklappe und einen Rootsverdichter zu regeln. Schließlich gelangt das abgekühlte Alterungsgas zum Brenner, wo es über das Mischrohr dem heißen originär erzeugten Alterungsgas zugemischt wird.
Ausführungsbeispiele
Bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Brenners sowie einer erfindungsgemäßen Anlage zur künstlichen Alterung von Abgaskatalysatoren ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend beschrieben.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Brenner in Gesamtdarstellung in Schrägansicht mit Teilschnitt;
Figur 2 zeigt einen Teil des Brenners mit Brennkammer nach Figur 1 in Schrägansicht mit Teilschnitt;
Figur 3 zeigt den vorderen Bereich des Brenners nach den Figuren 1 und 2 mit Luft- versorgungsbogen in Schrägdarstellung mit Teilschnitt;
Figur 4 zeigt die mechanischen Teile zur Luftzufuhrregelung sowie den Anfang des Flammenrohrs nach den Figuren 1 bis 3 im Längsschnitt;
Figur 5 zeigt ein Prinzipbild einer erfindungsgemäßen Anlage zur künstlichen Alterung von Abgaskatalysatoren;
Figur 6 zeigt ein ausgeführtes Beispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur künstlichen Alterung von Abgaskatalysatoren in Seitenansicht.
Figur 7 zeigt ein Diagramm einer OSC-Messung an einem Katalysator.
Figur 8 zeigt ein Diagramm des ZDAKW-Katalysator-Alterungszyklusses.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Brenner 10 mit einer Brennkammer 11 gezeigt, der einen äußeren rotationssymmetrischen Brennermantel 12 umfaßt, der sich zwischen einem Eingangsflansch 13 und einem Ausgangsflansch 14 erstreckt und drei Längsabschnitte 16, 17, 18 mit vom Eingangsflansch zum Ausgangsflansch abnehmenden Durchmesser umfaßt, die jeweils über konische Übergangsbereiche 19, 20 miteinander verbunden sind. An den Eingangsflansch 13 ist ein Trägerflansch 15 angeschraubt, der einen äußeren Bund und einen inneren Ringansatz umfaßt, die in den folgenden Figuren näher bezeichnet sind. Der Bund zentriert den Eingangsflansch 13, an dem der Brennermantel 12 angesetzt ist. Der innere Ringansatz am Trägerflansch 15 trägt außen ein Mischrohr 21 für rückgeführtes konditioniertes Alterungsgas und erstreckt sich mit radialem Abstand über die Länge der ersten beiden Abschnitte 16, 17 des Brennermantels 12 sowie der beiden konischen Übergangsbereiche 19, 20. Vom Übergangsbereich 19 bis zum Übergangsbereich 20 jeweils ein- schließlich weist das Mischrohr 21 im wesentlichen gleichmäßig verteilte Einleitöffnungen 22 auf.
Der innere Ringansatz am Trägerflansch 15 trägt innen ein zylindrisches Flammrohr 23, das sich in der Länge im wesentlichen über den ersten Abschnitt 16 größten Durchmessers des Brennermantels 12 erstreckt. Im Flammrohr 23 sind zwei Reihen von Rezirkulationsöffnungen 24 für eine primäre Alterungsgasrezirkulation vorgesehen, die später erläutert wird.
An den Brennermantel 12 ist ein Alterungsgasrückführrohr 26 angeschlossen, das kurz hinter dem Eingangsflansch 13 in einen Ringraum 27 zwischen Brennermantel 12 und Zusatzleitrohr 21 mündet. Dieses Alterungsgasrückführrohr 26 dient der sogenannten sekundären Alterungsgasrückführung.
Dem Flammrohr 23 eingangsseitig vorgeschaltet ist eine Mischvorrichtung 25 mit einer Kraftstoffeinspritzdüse 31 und einem Luftsteuerungsapparat 32. Der Luftsteuerungsapparat 32 umfaßt eine verstellbare Dralleinrichtung und eine verstellbare Drosselblende für die Verbrennungsluft, auf die später eingegangen wird. Dem Brenner 10 vorgeschaltet und mittels eines Anschlußflansches 33 mit diesem verbunden ist ein Luftzuführkrümmer 34, der einen Innenmantel 35 und einen Außenmantel 36 hat, zwischen denen ein Schalenraum 38 für Kühlwasser ausgebildet ist. Der Luftzuführkrümmer 34 weist neben dem Anschlußflansch 33 einen Eingangsflansch auf, der hier nicht gezeigt ist. Weitere Einzelheiten zu den zuletzt genannten Teilen sind aus den folgenden Figuren ersichtlich.
Das verwendete Prinzip für die Verbrennungsführung entspricht dem eines drallstabilisierten Brenners. Die Frischluft strömt von hinten aus dem gekühlten Luftzuführkrümmer 34 in die Mischeinrichtung 25 ein. Dort teilt sich die Luftführung in eine innere Primär- und eine äußere Sekundarluftströmung. Bei der Primärluftführung strömt die Frischluft innen über die Dralleinrichtung. Dann wird sie vor einer Primärluftbohrung in der Drosselblende mit dem eingespritzten Kraftstoff vermischt und das brennfähige Kraftstoff-Luft-Gemisch gelangt in das Flammrohr 23. Bei der Sekundärluftströmung wird die Frischluft um die Dralleinrichtung
5 herumgeleitet und strömt über Sekundärluftbohrungen in der Drosselblende in das Flammrohr ein und umhüllt dabei das Kraftstoff-Luft-Gemisch, um bei der Verbrennung auch in den Randbereichen Sauerstoff zuzuführen und um einen Teil des bei der Verbrennung erzeugten Alterungsgases über die Rezirkulationsbohrungen 24 im Flammrohr 23 zurückzusaugen. Durch Änderung des
0 Öffnungsquerschnitts der Sekundärluftbohrungen in der Drosselblende kann die Luftmenge variabel teilbar durch die Dralleinrichtung (Primärluftbohrung) und um diese herum (Sekundärluftbohrungen) gesteuert werden. Damit ändert sich die Luftströmungsgesehwindigkeit am Austritt der Mischeinrichtung 25, wodurch sich ein Unterdruck an den Rezirkulationsbohrungen 24 des Flammrohres 23 einstellt. Die
5 Rezirkulationsbohrungen 24 dienen zur Stabilisierung der Flamme. Dabei wird über die Rezirkulationsbohrungen 24 Alterungsgas an der Außenseite des Flammrohres 23 angesaugt (Venturi-Effekt). Das Alterungsgas legt sich dadurch von außen wie ein Mantel um die Flamme.
:θ In Figur 2 sind gleiche Einzelheiten wie in Figur 1 mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen. In dieser Figur sind der Bund 28 und der Ringansatz 29 am Trägerflansch 15 erstmals bezeichnet. Auf dem Bund 28 ist der Flansch 13 mit dem Mischrohr 21 befestigt. Im Ringansatz 29 sitzt ein eingeschobener Trägerring 30, der den Luftsteuerungsapparat 32
!5 ebenso wie die Kraftstoffeinspritzdüse 31 trägt. Als weitere Einzelheiten des Brenners sind Drallschaufeln 41 zwischen Brennermantel 12 und Mischrohr 21 sowie eine Zündvorrichtung 45 mit zwei Elektroden 46, 47 erkennbar. Im Luftzufuhrkrümmer 34 ist ein weiterer Durchtrittsstutzen 48 für die Anschlußverbindungen der Zündvorrichtung 45 erkennbar. Weiterhin wird deutlich, daß das Flammrohr 23 eine düsenartige
50 Einziehung 42 nahe dem Luftsteuerungsapparat 32 hat, in welcher umfangsverteilte Gaszuführungslöcher 43 vorgesehen sind, über die die primäre Rezirkulationsgas- menge angesaugt wird. Die zentrale Kraftstoffeinspritzdüse 31 wird über eine nicht dargestellte Leitung mit Kraftstoff versorgt, die durch einen Durchgangsstutzen 39 im Luftzuführkrümmer 34 in letzteren eintritt. Über einen weiteren Durchgangsstutzen 40 treten eine Innenwelle 65 zur Verstellung der Dralleinrichtung und eine dazu koaxiale Hohlwelle 68 zur Verstellung der Drosselblende in den Luftzuführkrümmer 34 ein.
5 Einzelheiten zu der Luftsteuerungsanordnung 32 und deren Verstellmechanismus werden anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben.
In Figur 3 sind gleiche Einzelheiten wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugsziffern belegt. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen.
D Es ist erkennbar, daß der Trägerring 30 im Ringansatz 29 mit dem Flammrohr 23 ebenso verbunden ist wie mit dem Luftsteuerungsapparat 32, Dieser umfaßt eine erste Ringscheibe 51 mit einer Vielzahl von Luftdurchgangslöchern 52, die eine Zentralöffnung für die Aufnahme der Kraftstoffeinspritzdüse 31 aufweist. In Strömungsrichtung hinter der Ringscheibe 51 liegt eine verdrehbare Ringscheibe 53 sowie eine
5 feste Ringscheibe 54. Die beiden Ringscheiben 53, 54 sind durch eine Isolierscheibe 57 voneinander getrennt. Die Ringscheiben bilden miteinander eine Drosselblende. Sie weisen jeweils eine zentrale Austrittsöffnung 55 für die Primärluft und einen Ring von Lochblenden 56 für die Sekundärluft auf. Die Ringscheibe 53 ist mittels hier nicht erkennbarer Verstellmittel gegenüber der Ringscheibe 54 verdrehbar, so daß die
0 Lochblenden 56 in der Ringscheibe 54 gedrosselt werden können, bzw. im Durchgangsquerschnitt reduziert werden können.
Zwischen den beiden Ringscheiben 51 und 53 erstreckt sich ein zunächst zylindrischer und dann trichterförmiger Ringmantel 61 , der einen inneren primären Verbren-
»5 nungsluftstromring von einem äußeren sekundären Verbrennungsluftstromring trennt. Innerhalb des Ringmantels 61 und damit innerhalb des inneren primären Verbrennungsluftstromrings liegen umfangsverteilt verstellbare Drallklappen 62 auf radial angeordneten Drehzapfen 63, durch die der innere primäre Verbrennungsluftstromring hinsichtlich des Dralls beeinflußbar ist, während der äußere sekundäre0 Verbrennungsluftstromring durch die verstellbaren Lochblenden 56 im Volumenstrom mengenverstellbar ist.
In Figur 4 sind gleiche Einzelheiten wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen. Es ist hier eine im Durchgangsstutzen 40 und in der ersten Ringscheibe 51 gelagerte Verstellvorrichtung 64 gezeigt, die eine drehbare Innenwelle 65 umfaßt, die über ein Ritzel 66 auf einen Außenzahnring 67 an der zweiten Ringscheibe 53 ein- 5 wirkt, und die eine drehbare Hohlwelle 68 umfaßt, die über ein Ritzel 69 auf einen Stellring 70 zur Verdrehung der Drallklappen 62 einwirkt. Am Stellring 70 sind Mitnehmerzapfen 60 angeordnet, die auf die Drallklappe 62 einwirken, die auf Drehzapfen 63 schwenkbar sind.
0 In Figur 5 ist ein Prinzipbild einer Anlage zur Abgaskatalysatoralterung dargestellt, die als zentrales Bauteil einen Brenner 10 gemäß der Erfindung umfaßt. Die Anlage umfaßt Teile einer Kraftstoffversorgung 71 sowie Teile einer Verbrennungsluftversorgung 81.
5 An der Kraftstoffversorgung 71 sind ein Kraftstofftank 72, eine Kraftstoffvorförder- pumpe 73 sowie eine Niederdruckkraftstoffpumpe 74 und eine Hochdruckkraftstoffpumpe 75 mit E-Motor erkennbar. Hinter der Niederdruckkraftstoffpumpe 74 ist ein Massenstromsensor 76 angeordnet. Eine Rückführschleife parallel zur Niederdruckkraftstoffpumpe 74 umfaßt ein Druckregelventil 77 und einen Kraftstoffrückkühler 78.
0 Eine Rückführschleife parallel zur Hochdruckpumpe 75 umfaßt ein Druckregelventil 79 und ein Kraftstoffrückkühler 80.
An der Verbrennungsluftversorgung 81 ist eine Luftfilter 82 und ein Massenstromsensor 83 erkennbar. Im Anschluß daran ist eine Drosselklappe 84 angeordnet sowie 5 ein Rootsverdichter 85 mit frequenzgesteuertem E-Motor. Hinter dem Verdichter 85 liegt ein Ladeluftkühler 86 im Verbrennungsluftstrang vor dem Eintritt in den Brenner 10.
Bei Zufuhr von Kraftstoff und Verbrennungsluft mit den angegebenen Mitteln 71 , 81 ιθ erzeugt der Brenner 10 nach Zündung durch eine hier nicht gezeigte Zündvorrichtung Alterungsgas, das Abgaskatalysatoren 91 , 92 und einen Dieselpartikelfilter 95 durchlaufen kann, wobei die Abgaskatalysatoren zum Beispiel TWC- oder DOC- oder SCR- oder CDPF-Katalysatoren sein können und parallel zueinander liegen. Die AI- terungshauptleitung 100 wird auf zwei Alterungsgaszweigleitungen 115, 116 zu den Abgaskatalysatoren 91 , 92 und eine mittig liegende Alterungsbypaßleitung 119 verzweigt. In den Zweigleitungen liegen Stellventile 93, 94 vor den Katalysatoren 91 , 92 und Stellventile 117, 118 hinter den Katalysatoren, mit denen die Massenströme verteilt, insbesondere gleich groß eingestellt werden können. In der Bypaßleitung 114 liegt ein Dosierventil 120 und ein Schaltventil 121 , mit denen die Größe des Bypaß- stromes und damit die Massenströme zu den Katalysatoren geregelt werden können. Vor dem Dieselpartikelfilter 95 werden die Zweigleitungen 115, 116 und die Bypaßleitung 119 wieder zur Alterungsgashauptleitung 100 zusammengeführt. Mit dem regelbaren Brenner 10 werden bestimmte Betriebszyklen durchlaufen, die der normgerechten Alterung der Abgaskatalysatoren 91 , 92 und gegebenenfalls des Dieselpartikelfilters 95 dienen.
Das Leitungsschema kann analog für die Beaufschlagung weiterer parallel geschalteter Katalysatoren ergänzt werden.
Der Hauptstrom des nachbehandelten Alterungsgases wird aus der Alterungsgashauptleitung 100 über einen Abgaskamin 101 abgeführt, während ein Teilstrom über eine sekundäre Rückführleitung 98 als abgasnachbehandeltes sekundäres Alterungsgas zum Brenner 10 zurückgeführt wird. Wahlweise kann über eine sekundäre Alterungsgasbypassleitung 114 Alterungsgas hinter dem Brenner 10 und vor der Abgasnachbehandlungsanlage abgezweigt werden und als sekundäres Alterungsgas zum Brenner zurückgeführt werden. Am Eintritt zur Rückführleitung 98 liegt ein Regelungsventil 122 für das abgasnachbehandelte Alterungsgas und in der Rückführleitung 114 liegt ein Regelungsventil 124 für das nicht-nachbehandelte Alterungsgas, mit denen die Zusammensetzung des sekundären Alterungsgases verändert werden kann. In der Rückführleitung 98 für das sekundäre Alterungsgas findet sich ein Abgaswärmetauscher 102 sowie ein Kondensatabscheider 103 mit einem steuerbaren Ablaßventil 104. Dem Kondensatabscheider 103 ist ein Massenstromsenor 105 nachgeschaltet. Daran anschließend findet sich eine Drosselklappe 106 und ein Rootsverdichter 107, der von einem frequenzgesteuerten E-Motor angetrieben wird.
Vor der Rückführleitung 98 zweigt vor deren Eintritt in den Brenner 10 eine Rück- führzweigleitung 99 ab, die in die Alterungsgashauptleitung 100 hinter dem Brenner mündet, wobei der Einmündungsstelle ein Mischer 96 nachgeschaltet ist. Diese kann zur sogenannten tertiären Alterungsgasrückführung dienen. In der Rückführzweigleitung 99 ist ein steuerbares Absperrventil 109 angeordnet. Über einen Mischer 108 können dem tertiären Alterungsgas Flüssigkeiten wie Öl oder Kraftstoff oder Fremdgase zugemischt werden, für die jeweils Stichleitungen 112, 113 zum Mischer 108 mit steuerbaren Einlaßventilen 110, 111 vorgesehen sind. Von der Rückführzweigleitung 99 geht eine Alterungsgasbypaßleitung 123 ab, die im Bypaß zur Alterungsgashauptleitung den Mischer 96 umgeht und auf zwei Zweigleitungen 125, 126 für ge- kühltes und konditioniertes Alterungsgas verzweigt wird, die jeweils in die Alterungsgaszweigleitungen 115, 116 zu den Abgaskatalysatoren 91 , 92 führen. In den Zweigleitungen 125, 126 sind jeweils Regelventile 127, 128 zur Bemessung der Zumischung von gekühltem Alterungsgas eingesetzt, mit denen die Alterungsgastemperatur in den Abgaskatalysatoren beeinflußt werden kann, insbesondere abgesenkt werden kann.
In Figur 6 ist eine ausgeführte Anlage in Seitenansicht gezeigt, die gegenüber er in Figur 5 als Schemazeichnung gezeigten Anlage vereinfacht ausgeführt ist.
Es ist ein Brenner 10 erkennbar, der mit einem Isoliermantel 50 umkleidet ist und dem zwei hier in Reihe geschaltete Abgaskatalysatoren 91 ', 92' sowie ein Dieselpartikelfilter 95 nachgestaltet sind. Die Alterungsgashauptleitung 100 mündet in einen Abgaskamin 101. Von dieser Hauptleitung zweigt eine Rückführleitung 98 ab, in der ein Alterungsgasrückkühler 102 angeordnet ist. Im Anschluß an den Rückkühler ist ein Kondensatabscheider 103 mit einem Ablaßventil 104 angeordnet. Diesem nachgeordnet sind in der Rückführleitung 98 ein Massenstromsensor 105 und eine Drosselklappe 106 vorgesehen. Hinter der Drosselklappe 105 ist in der Leitung 98 ein Rootsverdichter 107 erkennbar, der von einem frequenzgesteuerten E-Motor antreibbar ist. Im Anschluß an den Rootsverdichter mündet die Rückführleitung 98 seit- lieh in den Brenner 10 im Anfangsbereich der Brennkammer. Während die Kraftstoffversorgungsanlage hier nicht dargestellt ist, ist von der Luftversorgungsanlage 81 der Luftfilter 83, die Drosselklappe 84, der Rootsverdichter 85, der von einem frequenzgesteuerten E-Motor antreibbar ist, und der Ladeluftkühler 86 erkennbar. Figur 7 zeigt das Diagramm einer beispielhaften OSC-Messung nach Lambda- Werten über die Zeit, gemessen mit einer vor dem Katalysator installierten Lambda- Sonde, deren Meßsignal als „Lambda vor Kat" bezeichnet ist, und mit einer hinter dem Katalysator installierten Lambda-Sonde, deren Meßsignal als „Lambda nach Kat" bezeichnet ist. Um eine Aussage über den Alterungsgrad eines Katalysators treffen zu können, wird eine OSC-Messung durchgeführt. Diese OSC-Messung dient der Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators, woraus dann ein Alterungszustand abgeleitet werden kann. Je älter der Katalysator, desto geringer die Sauerstoff-Speicher-Kapazität. Die OSC-Messung wird sowohl in Serienfahrzeugen als auch in der künstlichen Katalysatoralterung eingesetzt.
Die OSC-Messung wird im stationären Zustand von Abgastemperatur und - Massenstrom durchgeführt. Dazu werden vor und nach dem Katalysator Lambdasi- gnale gemessen. Der Brenner wird nun so mit Kraftstoff gespeist, das das Abgas innerhalb kurzer Zeit von einem fetten Gemisch (Lambda < 1) auf ein mageres Gemisch (Lambda > 1) springt, wobei der angestrebte Verlauf durch die Kurve „Lambda Soll" dargestellt ist. Die Phasenverschiebung zwischen Vor-Katalysatorsignal „Lambda vor Kat" und Nach-Katalysatorsignal „Lambda nach Kat" in proportional zum im Katalysator gespeicherten Sauerstoff. In der Figur 7 ist eine solche Messung am Ka- talysatoralterungsprüfstand dargestellt.
Der hier gemessene Katalysator hat noch eine hohe Sauerstoffspeicherfähigkeit. Es ist deutlich zu erkennen, daß das Lambdasignal nach dem Katalysator (Lambda nach Kat) langsamer ansteigt, als das Lambdasignal vor dem Katalysator (Lambda vor Kat) und erst Sekunden später seinen Höchstwert erreicht. Ein Grenzkatalysator zeigt dagegen ein anderes Verhalten. Schon kurz nach Erreichen des Höchstwertes des Lambdasignals vom Sensor vor dem Katalysator würde auch der Lambdawert am Sensor nach dem Katalysator Maximalwerte erreichen. Beide Lambdasignale würden nahezu gleichzeitig ansteigen.
Figur 8 zeigt das Diagramm des ZDAKW Zyklus, der vom Abgaszentrum der Deutschen Automobilindustrie (ADA) entwickelt wurde. Es ist die Solltemperatur T-soll über der Zeit dargestellt, wobei der Sollwert des Verbrennungsluftverhältnisses λ-soll gleich 1 ist, mit Ausnahme der Phasen der Schubabschaltung, in denen das Verbrennungsluftverhältnis λ größer gleich 8 eingestellt wird. Dieser Zyklus setzt sich im wesentlichen aus einer Hochtemperaturphase mit jeweils fünf Schubabschaltungen und einer Vergiftungsphase mit drei Temperatumiveaus zusammen. Bei der Schubabschaltung wird kurzzeitig die Kraftstoffeinspritzung unterbrochen und parallel der Ab- gasrückführmassenstrom verringert. Dadurch wird der Katalysator mit Sauerstoff gespült und ein Lambdawert von größer gleich 8 eingestellt. Bei dem anschließenden Hochfahren des Abgasrückführmassenstroms und Wiedereinsetzen der Einspritzung steigt das Lambda wieder auf den geregelten Wert von λ gleich 1. Dieser Vorgang soll den Fahrbetrieb bei plötzlicher Gaswegnahme und Gaszugabe simulieren. In der Vergiftungsphase wird bei geringen Temperaturniveaus ein etwas fetteres Gemisch des Abgases über den Katalysator geleitet. Dies hat zur Folge, daß sich die kataly- tisch aktive Schicht durch chemische Vergiftung verringert.
Die Hochtemperaturphase von je 600 sec Dauer wird 48 mal durchfahren. Die Vergiftungsphase von je 30 min Dauer wird 8 mal durchfahren, der Gesamtzyklus dauert 96 h. Der Gesamtzyklus entspricht einer Laufstrecke von 80.000 km Fahrzeugbetrieb.
2
Bezugszeichenliste
10 Brenner
11 Brennkammer
12 Brennermantel
13 Eintrittsflansch
14 Austrittsflansch
15 Trägerflansch
16 erster Abschnitt (12)
17 zweiter Abschnitt (12)
18 dritter Abschnitt (12)
19 Übergangsabschnitt 0 Übergangsabschnitt 1 Mischrohr 2 Einleitöffnung 3 Flammrohr 4 Rezirkulationsöffnung 5 Mischeinvorrichtung 6 Alterungsgasrückführrohr 7 Ringraum 8 Bund 9 Ringansatz 0 Trägerring 1 Kraftstoffeinspritzdüse 2 Luftsteuerungsapparat 3 Trägerflansch 4 Luftzuführkrümmer 5 Innenmantel 6 Außenmantel 7 Flansch 8 Schalenraum 9 Durchtrittsstutzen 0 Durchgangsstutzen Drallschaufel
Düsenabschnitt
Austrittsöffnung
Zündeinrichtung
Elektrode
Elektrode
Durchtrittsstutzen
Isoliermantel
Ringscheibe
Luftdurchgangsloch
Ringscheibe (verdrehbar)
Ringscheibe (fest)
Austrittsöffnung (Primärluft)
Lochblenden (Sekundärluft)
Isolierscheibe
Trägerring
Flansch
Mitnehmerzapfen
Ringmantel, Trichter
Drallklappe
Zapfen
Doppelverstellvorrichtung
Innenwelle
Ritzel
Außenzahnring
Hohlwelle
Ritzel
Stellring
Kraftstoffversorgungsanlage
Kraftstofftank
Kraftstoffvorförderpumpe 74 Niederdruckkraftstoffpumpe
75 Hochdruckkraftstoffpumpe
76 Massenstromsensor
77 Druckregelventil
78 Kraftstoffkühler
79 Druckregelventil
80 Kraftstoffkühler
81 Verbrennungsluftversorgungsanlage
82 Luftfilter
83 Massenstromsensor
84 Drosselklappe
85 Verdichter
86 Ladeluftkühler
91 Abgaskatalysator
92 Abgaskatalysator
93 Drosselklappe
94 Drosselklappe
95 Dieselpartikelfilter
96 Mischvorrichtung
97 Alterungsgasleitung
98 Alterungsgasrückführleitung (sekundär)
99 Alterungsgasrückführleitung (tertiär)
100 Alterungsgashauptleitung
101 Kamin
102 Abgasrückkühler
103 Kondensatabscheider
104 Ablaßventil
105 Massenstromsensor
106 Drosselklappe
107 Verdichter
108 Mischer
109 Absperrventil
110 Einlaßventil 111 Einlaßventil
112 Stichleitung
113 Stichleitung
114 Alterungsgasbypaßleitung
115 Alterungsgaszweigleitung
116 Alterungsgaszweigleitung
117 Stellventil
118 Stellventil
119 Alterungsgasbypaßleitung
120 Schaltventil
121 Dosierventil
122 Regelungsventil
123 Alterungsgasbypaßleitung
124 Regelungsventil
125 Zweigleitung
126 Zweigleitung
127 Regelventil
128 Regelventil

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Alterungsgas zum Altern von Komponenten zur Abgasnachbehandlung in einem Brenner, der eine Brennkammer mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzdüse und mit einer Verbrennungsluftzuführung mit Mitteln zur Drallerzeugung aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drall der Verbrennungsluft in Abhängigkeit vom gewählten Verbrennungsluftverhältnis λ eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drall der Verbrennungsluft in Abhängigkeit von Änderungen des Verbrennungsluftverhältnisses λ während der Alterungsgaserzeugung verändert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drall der Verbrennungsluft bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ>1 (mager/stöchiometrisch) geringer eingestellt wird und bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ< 1 (fett) größer eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gesamtstrom der Verbrennungsluft massenstromregelbar ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennungsluft in einen innenliegenden Primärluftstrom und einen äußeren Sekundärluftstrom geteilt wird, wobei die Verbrennungsluft im innenliegenden Primärluftstrom drallbehaftet zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennungsluft im äußeren Sekundärluftstrom im wesentlichen drallfrei zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sekundärluftstrom drosselbar ist, wobei der Sekundärluftstrom insbesondere zur Darstellung eines Verbrennungsluftverhältnisses λ<1 (fett) gedrosselt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die axiale Position der Brennerflamme innerhalb der Brennkammer detek- tiert wird und bei nach hinten ausgewanderter Brennerflamme der Drall der Verbrennungsluft erhöht wird und bei nach vorne ausgewanderter Brennerflamme der Drall der Verbrennungsluft reduziert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß Alterungsgas aus der Brennkammer in einer Mantelströmung in den Bereich der Kraftstoffeinspritzdüse zurückgeführt wird (primäre Alterungsgasrückführung).
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Drosselung des Sekundärluftstroms auch die primäre Alterungsgasrückführung reduziert wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem im Brenner originär erzeugten Alterungsgas in der Brennkammer konditioniertes Alterungsgas zugesetzt wird, insbesondere solches, das zuvor einer Abgasnachbehandlung unterzogen worden ist (sekundäre Alterungsgasrückführung).
12. Verfahren nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anteil des konditionierten Alterungsgases der sekundären Alterungsgasrückführung zur Einhaltung einer vorgegebenen Alterungsgastemperatur verändert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß das konditionierte Alterungsgas der sekundären Alterungsgasrückführung im Brenner in Form einer Ringmantelströmung zugesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Simulation einer Fahrzeugschubabschaltung nach einer Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr zum erneuten Starten der Brennkammer ein Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 (fett) und ein hoher Drall der Primärluft eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem im Brenner erzeugten Alterungsgas konditioniertes Alterungsgas hinter dem Brenner und vor den Komponenten zur Abgasnachbehandlung zugemischt wird (tertiäre Alterungsgasrückführung).
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem konditionierten Alterungsgas der tertiären Alterungsgasrückführung Öl und/oder Kraftstoff und/oder Fremdgas und/oder Luft zugesetzt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraftstoffeinspritzung mit mindestens 20 bar Vordruck getaktet steuerbar erfolgt.
18. Verfahren zum Altern von Komponenten zur Abgasnachbehandlung durch Beaufschlagen mit Alterungsgas,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Alterungsgas zur Beaufschlagung der Komponenten zur Abgasnachbehandlung gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 hergestellt wird.
19. Brenner zur Erzeugung von Alterungsgas zum Altern von Komponenten zur Abgasnachbehandlung, der eine Brennkammer mit einer Brennkammerachse und zumindest eine Kraftstoffeinspritzdüse und eine Verbrennungsluftzuführung umfaßt, welche Mittel zur Drallerzeugung aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Drallerzeugung im Sinne einer Veränderung der Drallstärke verstellbar sind.
20. Brenner nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Ringmantel oder Trichter (61) im Verbrennungsluftstrom vor der Kraftstoffeinspritzdüse (31) liegt, das den Verbrennungsluftstrom in einen innenliegenden Primärluftstrom und in einen außenliegenden Sekundärluftstrom teilt, wobei Mittel zur Drallerzeugung im Primärluftstrom liegen.
21. Brenner nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Drallerzeugung ausschließlich im Primärluftstrom liegen.
22. Brenner nach einem der Ansprüche 19 bis 21 ,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Drallerzeugung umfangsverteilte auf radial zur Brennkammerachse angeordneten Achsen schwenkbare Drallschaufeln (62) umfassen.
23. Brenner nach einem der Ansprüche 19 bis 22,
dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel zur Volumenstromsteuerung des Verbrennungsluftstroms im Brenner vorgesehen sind.
24. Brenner nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Volumenstromsteuerung des Verbrennungsluftstroms ringförmig im Sekundärluftstrom angeordnet sind.
25. Brenner nach einem der Ansprüche 23 oder 24,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Volumenstromsteuerung des Verbrennungsluftstroms aus einem konzentrisch zur Kraftstoffeinspritzdüse angeordneten Ring von verstellbaren Lochblenden (56) bestehen.
26. Brenner nach einem der Ansprüche 19 bis 25,
dadurch gekennzeichnet,
daß Mittel zur Detektierung der axialen Flammenlage in der Brennkammer (11) angeordnet sind, insbesondere ein Temperaturfühler oder mehrere über die Länge der Brennkammer verteilte Temperaturfühler.
27. Brenner nach einem der Ansprüche 19 bis 26,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Brennkammer (11) ein Flammrohr (23) konzentrisch angeordnet ist, das vor dem Ende der Brennkammer (11) endet und nahe der Kraftstoffeinspritzdüse (31) umfangsverteilte Öffnungen (43) für rückströmendes Alterungsgas der primären Alterungsgasrückführung aufweist.
28. Brenner nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Austrittsöffnungen (43) im Flammrohr (23) in einem düsenartig verengten Abschnitt (42) des Flammrohrs (23) liegen.
29. Brenner nach einem der Ansprüche 19 bis 27,
dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb eines Brennermantels (12) ein konzentrisch zur Brennkammerachse angeordnetes Mischrohr (21) liegt, das mit dem Brennermantel (12) einen Ringraum (27) bildet, an den ein Zuführstutzen (26) für konditioniertes Alterungsgas angeschlossen ist, wobei das Mischrohr (21) über die Länge des Flammenrohrs (23) hinausreicht und hinter dem Ende des Flammrohrs (23) umfangsverteilte Austrittsöffnungen (22) für das konditionierte Alterungsgas der sekundären Alterungsgasrückführung aufweist.
30. Brenner nach einem der Ansprüche 19 bis 29,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraftstoffeinspritzdüse (31) von einem getaktet steuerbaren Hochdruckeinspritzventil versorgt wird.
31. Brenner nach Anspruch 30,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraftstoffeinspritzdüse (31) mit dem Hochdruckeinspritzventil in einer Baueinheit zusammengefaßt ist und innerhalb der Mittel zur Drallerzeugung angeordnet ist.
32. Anlage zum Altern von Komponenten zur Abgasnachbehandlung durch Beaufschlagen mit in einem Brenner erzeugten Alterungsgas,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Brenner (11) nach einem der Ansprüche 16 bis 27 vorgesehen ist, am dem die Komponenten zur Abgasnachbehandlung über eine Alterungsgasleitung (100) ausgeschlossen sind.
33. Anlage nach Anspruch 32,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zuführstutzen (26) an eine Leitung (98) für im Brenner (10) erzeugtes und anschließend konditioniertes Alterungsgas angeschlossen ist.
34. Anlage nach Anspruch 33,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Leitung (98) ein Alterungsgasrückkühler (102) angeordnet ist.
35. Anlage nach einem der Ansprüche 33 oder 34,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Leitung (98) eine Drosselklappe (106) und ein steuerbar angetriebener Verdichter (107) angeordnet sind.
36. .Anlage nach einem der Ansprüche 33 bis 35,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitung (98) an eine Alterungsgashauptleitung (100) hinter den Komponenten zur Alterungsgasnachbehandlung oder an eine Alterungsgasbypass- leitung (114) im Bypass zu den Komponenten zur Abgasnachbehandlung angeschlossen ist.
37. Anlage nach einem der Ansprüche 33 bis 36,
dadurch gekennzeichnet,
daß von der Leitung (98) für konditioniertes Alterungsgas vor dem Anschluß an den Zuführstutzen (26) eine Zweigleitung (99) abzweigt, die hinter dem Brenner (10) in die Alterungsgashauptleitung (100) einmündet.
38. Anlage nach Anspruch 37,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die Zweigleitung (99) Einspeiseleitungen (112, 113) für Öl und/oder Kraftstoff und/ oder Fremdgas und/oder Luft einmünden.
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