DE19710842A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbren­ nungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeug-Verbrennungs­ motoren, wobei dem Verbrennungsmotor ein Gas mit erhöhtem Sauerstoff(O2)-Gehalt zugeführt wird, welches aus der Atmosphären-Luft durch wenigstens eine, in einer Kammer angeordnete, nur für Sauerstoffmoleküle durchgängige Membran gewonnen wird.
Aus der DE 44 04 681 C1 geht eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Ver­ brennungsabgasen hervor, bei welchen den Verbrennungs­ abgasen Sauerstoff (O2) zugeführt wird, der in einer in einem Bypass-Kanal angeordneten Kammer mittels einer nur für Sauerstoffmoleküle durchgängigen Membran gewonnen wird.
Durch eine derartige Sauerstoff-Anreicherung der dem Motor zugeführten Frischluft wird zum einen die Abgastemperatur erhöht und hiermit die Katalysator­ anspringzeit, d. h. die Zeit, die vergeht, bis der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht und seine volle Wirkung entfaltet hat, verkürzt. Gleichzeitig verbessert sich die Kraftstoffumsetzung im Motor, so daß die Rohemissionen von Kohlenmonoxid und Kohlen­ wasserstoffen (CO, HC) verringert werden. Darüber hinaus wird der Stickstoffgehalt bei der Verbrennung reduziert, wodurch weniger Stickoxide entstehen, die zur Verringerung der Umweltbelastung katalysiert werden müssen.
Es ist bekannt, daß etwa 80% der Kohlenmonoxid (CO)- und Kohlenwasserstoff (HC)-Gesamtemissionen eines Benzinmotors während der ersten 120 Sekunden nach einem Kaltstart entstehen. Ursache hierfür ist die mangelnde Konvertierung der Motorrohemissionen durch den noch nicht auf Betriebstemperatur arbeitenden Katalysator.
Es ist daher zunächst Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Ver­ brennungsabgasen von Verbrennungsmotoren der gattungs­ gemäßen Art derart weiterzuentwickeln, daß die An­ springzeit des Katalysators verkürzt und hierdurch eine Verminderung der schädlichen Emissionen nach dem Katalysator, insbesondere in der Kaltstartphase, ermöglicht wird.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbren­ nungsmotoren der eingangs beschriebenen Art erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß das Gas mit erhöhtem Sauer­ stoff(O2)-Gehalt abhängig vom Betriebspunkt des Ver­ brennungsmotors der Ansaugluft beigemischt wird.
Durch die betriebspunktabhängige Beimischung des Gases mit erhöhtem Sauerstoff-Gehalt wird auf besonders vorteilhafte Weise erreicht, daß in dem Verbrennungsgas immer dann ein erhöhter Sauerstoff-Gehalt vorherrscht, wenn dies aufgrund des Betriebspunktes erforderlich ist.
Vorteilhafterweise wird das Gas mit erhöhtem Sauer­ stoff(O2)-Gehalt der Ansaugluft in einem oder mehreren der folgenden Betriebszustände des Verbrennungsmotors beigemischt: in der Kaltstartphase, in der Leerlauf­ phase, in der Warmlaufphase und in der Teillastphase. In diesen Betriebszuständen existieren erfahrungsgemäß die höchsten schädlichen katalysatorausgangsseitigen Kohlenmonoxid (CO)- und Kohlenwasserstoff (HC)-Emissio­ nen. Durch die Anreicherung des Sauerstoff(O2)-Gehalts während dieser Betriebsphasen können diese Emissionen deutlich verringert werden. Darüber hinaus wird durch die Sauerstoff-Anreicherung der dem Motor zugeführten Frischluft die Abgastemperatur erhöht, wodurch die Katalysatoranspringzeit verkürzt wird und daher ein früheres Arbeiten des Katalysators ermöglicht.
Vorzugsweise beträgt die Sauerstoff(O2)-Anreicherung 25 bis 35 Vol%.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotoren, wobei zur Gewinnung eines dem Verbrennungsmotor zuführbaren Gases mit erhöhtem Sauerstoff(O2)-Gehalt aus der Atmosphären-Luft wenig­ stens eine in einer Kammer angeordnete, mit Atmosphä­ ren-Luft beaufschlagbare Membran angeordnet ist, die nur für Sauerstoff-Moleküle durchgängig ist.
Diesbezüglich liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Ver­ brennungsabgasen von Verbrennungsmotoren der gattungs­ gemäßen Art zu vermitteln, welche an Bord eines Kraftfahrzeugs mittels eines an sich bekannten, in einer Kammer angeordneten, beispielsweise Hohlfaser- Membranmoduls einen Luftstrom mit variabel erhöhtem Sauerstoff(O2)-Massenfluß erzeugt und betriebspunkt­ abhängig der Ansaugluft des Verbrennungsmotors zur Reduzierung dessen Schadstoffemissionen zuführt.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Reduzie­ rung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren der obenbeschriebenen Art erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kammer in einem zum Saugrohr des Verbrennungsmotors parallel angeordneten Bypass-Kanal angeordnet ist, der abhängig vom Betriebs­ zustand des Verbrennungsmotors, insbesondere bei einem oder mehreren der folgenden Betriebszustände: in der Kaltstartphase, in der Leerlaufphase, in der Warmlauf­ phase und in der Teillastphase öffen- und schließbar ist.
Durch die Anordnung der Kammer in einem parallel zum Saugrohr des Verbrennungsmotors angeordneten zusätzli­ chen Bypass-Kanal wird die betriebszustandsabhängige Anreicherung der Ansaugluft auf besonders vorteilhafte, da besonders einfache Weise ermöglicht. Immer dann, wenn eine Anreicherung der Ansaugluft mit Sauerstoff gewünscht wird, wird der Bypass-Kanal geöffnet und hierdurch eine Durchströmung der in dem Bypass-Kanal angeordneten, nur für Sauerstoffmoleküle durchgängigen Membran ermöglicht.
Rein prinzipiell kann der Bypass-Kanal auf beliebige Art und Weise geöffnet werden. Vorteilhafterweise ist der Bypass-Kanal durch einen Leerlaufsteller öffen- und schließbar.
Hinsichtlich der Anordnung des Einlasses und des Auslasses der Kammer sind die unterschiedlichsten Anordnungen denkbar. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß der Einlaß und der Auslaß der Kammer derart in dem Bypass-Kanal angeordnet sind, daß die Membran gleich­ stromförmig, d. h. parallel zur Strömungsrichtung der Ansaugluft durchströmt wird.
Eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform, welche eine Erhöhung des Wirkungsgrads erzielt, sieht vor, daß Einlaß und Auslaß der Kammer derart angeordnet sind, daß die Membran gegenstromförmig, d. h. entgegen der Strömungsrichtung der Ansaugluft durchströmt wird. Durch diese gegenstromförmige Durchströmung der Membran über ihre gesamte Länge wird ein optimales Sauerstoff- Partialdruckgefälle bereits durch die sehr wirkungs­ volle Durchströmung der Membran, die beispielsweise als Hohlfasermembran ausgebildet ist, ermöglicht.
Insbesondere zur Vermeidung von Verunreinigungen im Saugrohr sowie im Bypass-Kanal ist vorteilhafterweise ein gemeinsames Luftfilter sowohl für das Saugrohr als auch für den Bypass-Kanal vorgesehen.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß für das Saugrohr und für den Bypass-Kanal jeweils separate Luftfilter vorgesehen sind.
Um einen ausreichenden Luftstrom durch die Membran zu gewährleisten, ist bei einer Ausführungsform vorzugs­ weise vorgesehen, daß in dem Bypass-Kanal ein bedarfs­ abhängig zuschaltbares Gebläse angeordnet ist, welches einen erhöhten, gegebenenfalls variablen Sauerstoff- Partialdruck gegenüber der Permeatseite der Membran gewährleistet.
Um eine Umkehrung des Luftstroms in dem Bypass-Kanal zu vermeiden, ist vorgesehen, daß in dem Bypass-Kanal wenigstens ein Rückschlagventil angeordnet ist.
Zeichnung
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren;
Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren und
Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen, dargestellt in Fig. 1, umfaßt ein Saugrohr 10, in dem eine Drosselklappe 12 angeordnet ist. In das Saugrohr 10 strömt über ein Luftfilter 14 durch den von der (nicht dargestellten) Verbrennungsmaschine erzeugten Unterdruck Atmosphären-Luft. Parallel zu dem Saugrohr 10 ist ein Bypass-Kanal 20 angeordnet, in dem eine Kammer 21, welche einen Einlaß 23 und einen Auslaß 25 umfaßt, angeordnet ist.
In der Kammer 21 ist eine Membran 30 angeordnet, die nur für Sauerstoff-Moleküle (O2) durchgängig ist. Diese Membran 30 ist in der Praxis ein Bündel von Hohlfaser­ membranen, die einlaßseitig und auslaßseitig bei­ spielsweise in ein Kunstharz eingebettet sind.
In dem Bypass-Kanal 20 ist ferner ein Rückschlagventil 22 angeordnet, das einen Rückstrom in dem Bypass-Kanal 20 verhindert, sowie ein Gebläse 24, durch welches die Membran 30 mit einem unter leichtem Druck stehenden Luftstrom beaufschlagbar ist. Neben dem (Permeat)auslaß 25 der Kammer 21 ist ein weiterer Auslaß 32 der Kammer 21 vorgesehen, aus dem bei Durchströmung der Membran 30 das Sauerstoff-abgereicherte Retentat entströmt.
Der parallel zu dem Saugrohr 10 angeordnete Bypass-Kanal 20 ist über einen Leerlaufsteller 16 vorteilhaf­ terweise z. B. durch eine Motorsteuerung gesteuert öffnen- und schließbar. Dies ermöglicht eine betriebs­ punktabhängige Anreicherung der der Verbrennungs­ maschine zugeführten Ansaugluft mit Sauerstoff (O2).
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbren­ nungsmotoren hat nun die nachfolgend beschriebene Wirkungsweise:
Nach Durchtritt der Atmosphärenluft durch das gemeinsa­ me Luftfilter 14 (vgl. die in den Figuren durch mit S, S1, S2, S3, S4, S5 bezeichneten Pfeile dargestellte Strömung der Ansaugluft) teilt sich der Ansaugluft­ strom, so daß ein Teil der Ansaugluft, dargestellt durch einen Pfeil S1, direkt zum Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) strömt, ein weiterer Teil, darge­ stellt durch Pfeile S2, strömt über den Bypass-Kanal 20 in die Kammer 21 und damit durch das Bündel von Hohlfa­ sermembranen 30, dessen Permeatseite 27 infolge der durch den Leerlaufsteller 16 öffen- und schließbaren Verbindung mit dem Saugrohr 10 einen verminderten Gasdruck gegenüber dem Luftstrom, der am Einlaß 23 der Kammer 21 und damit am Einlaß der Hohlfasermembran 30 anliegt, besitzt. Insbesondere weist der einlaßseitig herrschende Luftstrom S2 einen höheren Sauerstoff(O2)- Partialdruck gegenüber der Permeatseite 27 auf. Infolgedessen findet aufgrund der, beispielsweise in der DE 44 04 681 C1 beschriebenen, speziellen Eigen­ schaften der Membran 30 eine Sauerstoff(O2)-Anreiche­ rung auf der Permeatseite 27 statt, so daß durch Vermischung des im Saugrohr 10 fließenden Luftstroms S1 mit dem Luftstrom S3, der hinter dem Auslaß 25 der Kammer 21 vorhanden ist, dem Verbrennungsmotor ein sauerstoffangereicherter Luftstrom S4 mit einem variablen O2-Gehalt größer als 21 Vol%, vorzugsweise mit einem Sauerstoffgehalt von 25 bis 35 Vol% zugeführt wird.
Das bedarfsabhängig zuschaltbare Gebläse 24 sorgt dabei für einen ausreichenden Luftstrom durch die Membran 30, die, wie oben beschrieben, als Hohlfaser-Membranmodul ausgebildet ist, so daß ein erhöhter, gegebenenfalls variabler Sauerstoff(O2)-Partialdruck gegenüber der Permeatseite 27 permanent garantiert wird.
Die O2-abgereicherte Restluft verläßt die Kammer 21 als Retentat durch den Auslaß 32.
In Fahrzuständen, in denen eine O2-Anreicherung erfol­ gen soll, wird der Leerlaufsteller geöffnet. In Fahrzuständen, in denen keine Sauerstoff-Anreicherung erfolgen soll, werden der Auslaß des Bypass-Kanals 20 durch den Leerlaufsteller 16 geschlossen und das Gebläse 24 abgeschaltet. Das Schließen des Rückschlag­ ventils 22 verhindert die Umkehrung der Strömungs­ richtung im Bypass-Kanal 20. Das Schließen eines weiteren Rückschlagventils 34 in dem Auslaß 32 verhin­ dert ein Eindringen ungefilterter Luft in die Kammer 21 und damit in die Membran 30 durch Umkehrung der Strömungsrichtung in dem Auslaß 32.
Es versteht sich, daß die Rückschlagventile 24, 34 entfallen können, wenn durch einen Dauerbetrieb des Gebläses 24 auch dann wenn der Leerlaufsteller 16 geschlossen ist die vorgegebene Strömungsrichtung (Pfeile S2) im Bypass-Kanal 20 garantiert ist.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unter­ scheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten und oben näher beschriebenen nur dadurch, daß statt eines gemeinsamen Luftfilters 14 sowohl für das Saugrohr 10 als auch für den Bypass-Kanal 20 jeweils separate Luftfilter 15, 17 für das Saugrohr 10 und den Bypass-Kanal 20 verwendet werden.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel entfallen das Gebläse 24 sowie der Leerlaufsteller 16. Bei diesem Ausführungsbeispiel sorgen der Fahrtwind und der Saugdruck des Motors für den Luftstrom über der Membran 30.
Die "betriebspunktabhängige" Zuführung des Luftstroms wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Ge­ schwindigkeit des Fahrzeugs realisiert.
Bei den in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbei­ spielen sind jeweils der Einlaß 23 und der Auslaß 25 der Kammer 21 und damit der Einlaß und der Auslaß der Membran 30 so angeordnet, daß die Membran 30 gleich­ stromförmig, d. h. parallel zur Strömungsrichtung der Ansaugluft durchströmt wird.
Bei den in Fig. 4 und Fig. 5 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen sind demgegenüber der Einlaß 23 und der Auslaß 25 der Kammer 21 so angeordnet, daß die Membran 30 gegenstromförmig, d. h. entgegen der Strö­ mungsrichtung der Ansaugluft, durchströmt wird. Dies ist durch mit S5 bezeichnete Pfeile schematisch darge­ stellt. Durch dieses Gegenstromverfahren wird über die gesamte Länge der Membran 30 ein optimales Sauer­ stoff(O2)-Partialdruckgefälle als treibende Kraft der Permeation von Sauerstoff aus dem Luftstrom S2 gewähr­ leistet. Im übrigen entspricht das in Fig. 4 darge­ stellte Ausführungsbeispiel dem in Fig. 1 (ein gemein­ sames Luftfilter 14 für Saugrohr 10 und Bypass-Kanal 20) und das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel (jeweils separate Luftfilter 15, 17 für das Saugrohr 10 und den Bypass-Kanal 20).

Claims (11)

1. Verfahren zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, wobei dem Verbrennungsmotor ein Gas mit erhöhtem Sauerstoff(O2)-Gehalt zugeführt wird, welches aus der Atmosphären-Luft durch wenigstens eine, in einer Kammer (21) angeordnete, nur für Sauerstoff-Mole­ küle (O2) durchgängige Membran (30) gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit erhöhtem Sauerstoff(O2)-Gehalt abhängig vom Betriebspunkt des Verbrennungsmotors der Ansaug­ luft beigemischt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas mit erhöhtem Sauerstoff(O2)-Gehalt der Ansaugluft bei einem oder mehreren der folgenden Betriebszustände des Verbrennungsmotors beige­ mischt wird: in der Kaltstartphase, in der Leer­ laufphase, in der Warmlaufphase, in der Teil­ lastphase.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Sauerstoff(O2)-Anreicherung zwischen 25 und 35 Vol% beträgt.
4. Vorrichtung zur Reduzierung von Schadstoffen in Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, wobei zur Gewinnung eines dem Verbrennungsmotor zuführbaren Gases mit erhöhtem Sauerstoff(O2)- Gehalt aus der Atmosphären-Luft wenigstens eine in einer Kammer (21) angeordnete, mit Atmosphären-Luft beaufschlagbare Membran (30) angeordnet ist, die nur für Sauerstoff-Moleküle (O2) durchgängig ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (21) in einem zum Saugrohr (10) des Verbrennungsmotors parallel angeordneten Bypass-Kanal (20) angeordnet ist, der abhängig vom Betriebszustand des Ver­ brennungsmotors, insbesondere bei einem oder mehreren der folgenden Betriebszustände: in der Kaltstartphase, in der Leerlaufphase, in der Warmlaufphase, in der Teillastphase öffen- und schließbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Bypass-Kanal (20) über einen Leer­ laufsteller (16) öffen- und schließbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (23) und der Auslaß (25) der Kammer (21) derart in dem Bypass-Kanal (20) angeordnet sind, daß die Membran (30) gleich­ stromförmig durchströmt wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (23) und der Auslaß (25) der Kammer (21) derart in dem Bypass-Kanal (20) angeordnet sind, daß die Membran (30) gegen­ stromförmig durchströmt wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Luftfilter (14) für das Saugrohr (10) und den Bypass-Kanal (20) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für das Saugrohr (10) und für den Bypass-Kanal (20) jeweils separate Luftfilter (15, 17) vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bypass-Kanal (20) ein bedarfsabhängig zuschaltbares Gebläse (24) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bypass-Kanal (20) wenigstens ein Rückschlagventil (22, 32) angeordnet ist.
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