DE60319907T2

DE60319907T2 - Luftansauganlage für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE60319907T2
Application number: DE60319907T
Authority: DE
Inventors: Thomas Joseph 48138 Luley; Christian Thomas Jr. 48197 Goralski; Philip J. 48108 Johnson; Andrew George 48170 Bellis; Gregory Scott 48134 Horne
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-04-15
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2023-04-03
Also published as: US20030192512A1; EP1359313B1; US7458366B2; EP1359313A3; EP1359313A2; DE60319907D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren um Kohlenwasserstoffe aus einem Verbrennungsmotor-Kraftstoffsystem abzufangen, und spezieller um Kohlenwasserstoffe abzufangen, welche normalerweise aus einem Verbrennungsmotor-Ansaugsystem freigesetzt würden, wenn der Motor nicht arbeitet.
Während die Regelung von Kraftfahrzeug-Auspuffemissionen zunehmend strenger wurden, wurden die Emissionen von Kohlenwasserstoffen aus anderen Quellen als dem Auspuff oder dem Kraftstofftank zunehmend Gegenstand der Gesetzgebung. Zum Beispiel spezifizieren die auf künftige Modelle anzuwendenden Regeln des California Air Resorces Board (CARS), daß Kraftfahrzeuge hinsichtlich flüchtiger Emissionen nicht mehr als 0,35 Gramm Kohlenwasserstoffe pro Tag emittieren dürfen. Von diesem Gesamtwert darf Kohlenwasserstoff aus dem Kraftstoff nur 0,054 Gramm pro Tag ausmachen. Weil das Kraftstoffbeschickungssystem des Motors die Aufgabe hat Kraftstoff und Luft miteinander in Verbindung zu bringen, stellt das Kraftstoffbeschickungssystem eine Quelle dar, aus welcher Kraftstoff aus dem Fahrzeug durch das Lufteinlaßsystem austreten kann, wenn der Motor nicht arbeitet; oder in anderen Worten, wenn der Motor abgeschaltet ist. Folglich können jegliche von den Kraftstoffeinspritzungen, Ansaugkrümmerwänden, Zylindern oder der geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftung emittierten Kohlenwasserstoffe möglicherweise den Motor verlassen und durch das Luftansaug- oder Lufteinlaßsystem in die Umgebung gelangen. Folglich wurden allein aus einem Motor-Lufteinlaßsystem Emissionspegel bis zu 0,366 Gramm pro Tag gemessen.
U.S.-Patent Nummer 3,838,673 offenbart die Verwendung von Zeolith um Dampfe abzufangen; es ist jedoch zu bemerken, daß das System des 673er-Patents – abgesehen vom Vergaser – die Emission von aus dem Ansaugsystem entweichenden Dämpfen nicht verhindern wird. Ähnlich verwendet auch U.S. 5,207,734 Zeolithe, um Kohlenwasserstoffdämpfe aus dem Kraftstofftank und aus dem Motor abzufangen wenn der Motor arbeitet, kann aber nicht die Emission von Kohlenwasserstoff aus den Innenbereichen des Motors verhindern wenn der Motor nicht arbeitet.
Es ist ein Gegenstand dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Senkung von Kohlenwasserstoffemissionen aus dem Einlaßsystem eines Verbrennungsmotors bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung der Emission flüchtiger Kohlenwasserstoffe aus dem Luftansaugsystem und dem Inneren eines Verbrennungsmotors bereitgestellt; dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt flüchtige Kohlenwasserstoffe dazu zu bringen von dem Luftansaugsystem des Motors zurückzuströmen wenn der Motor abgeschaltet wird, um durch einen Zeolith enthaltenden Adsorber zu strömen und von ihm adsorbiert zu werden; und alle neu angesaugte Luft für den Motor dazu zu bringen durch den Adsorber zu strömen wenn der Motor arbeitet, um so Kohlenwasserstoffe von dem Adsorber zu desorbieren und die zuvor adsorbierten Kohlenwasserstoffe in den Motor hinein anzusaugen.
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß das Kohlenwasserstoff-Behandlungsmodul eine vollkommen passive Vorrichtung ist, die keine Regelventile oder eine Wirksamkeitsüberwachung benötigt. Hinsichtlich der Diagnoseanforderungen an Bord (OBD, Onboard Diagnostics; Diagnose an Bord) bedeutet dies, daß die Leichtigkeit eine derartige Vorrichtung einzusetzen wesentlich verbessert wird.
Es ist ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß das Behandlungsmodul für flüchtige Kohlenwasserstoff robust ist, was besonders in der Kraftfahrzeugumgebung wichtig ist, in welcher ein Motor gelegentlich einen Betrieb mit Fehlzündungen erfahren kann.
Es ist noch ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein System, welches ein Kohlenwasserstoff-Behandlungsmodul gemäß dieser Erfindung einschließt, für den Luftstrom in einen Motor hinein sehr wenig Restriktionen darstellt, und folglich nicht zum Verlust von Motorleistung beiträgt.
Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 eine systematische Darstellung eines Behandlungssystems für flüchtige Kohlenwasserstoffe im Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine schematische Darstellung eines kombinierten Kohlenwasserstoff-Behandlungsmoduls und eines Luftmassenstrom-Meßgeräts im Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine schematisch Darstellung eines kombinierten Kohlenwasserstoff-Behandlungsmoduls ist, das zwei Substrate und ein dazwischen angeordnetes Luftmassenstrom-Meßgerät im Einklang mit der vorliegenden Erfindung aufweist;
4 eine schematische Darstellung eines Moduls einschließlich eines Kohlenwasserstoff-Behandlungsmoduls, Luftmassenstrom-Meßgeräts und eines Drosselkörpers im Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist;
5 eine teilweise perspektivische Ansicht eines ersten Typs von Monolithadsorber im Einklang mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist; und
6 eine teilweise perspektivische Ansicht eines zweiten Typs von Monolithadsorber im Einklang mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist.
Unter Bezug auf 1 ist ein Motor 20 gezeigt, der eine Lufteinlaß-Sammelkammer und Einlaßkrümmer 28 aufweist, welcher mit Luft versorgt wird die zuerst durch Luftfilter 12 gelangt, und dann durch das Behandlungsmodul für flüchtige Kohlenwasserstoffe 14 einschließlich einer von einem Substrat 22 gebildeten Adsorbereinheit und einem Gehäuse für die Adsorbereinheit.
Danach gelangt die Ladeluft durch Luftmassenstrom-Sensor 16 und an Drosselkörper 18 vorbei in Einlaßkrümmer 28 hinein. Von einer Stelle zwischen Luftmassenstrom-Meßgerät 16 und Drosselkörper 18 wird ein Teil des eintretenden Luftstroms durch Leitung 31 zu Motor-Kurbelgehäuse 31 umgeleitet. Diese umgeleitete Luft strömt dann durch Kurbelgehäuse 30 und durch die Leitung 32 der geschlossenen Kurbelgehäuseentlüftung (PCV) in Einlaßkrümmer 28 hinein.
Eine Mehrzahl von Kraftstoffeinspritzungen (nicht gezeigt) liefert Kraftstoff zu dem Motor. Die Einspritzungen arbeiten mit Krümmer 28 zusammen, um sowohl Kraftstoff wie auch Luft zu dem Motor zu liefern. Ist der Motor jedoch abgeschaltet, so können Kraftstoffdämpfe aus Einlaßkrümmer 28 entweichen und an Drosselkörper 18 und Luftstrom-Sensor 16 vorbei zurückströmen.
Kraftstoff, der das Kohlenwasserstoff-Behandlungsmodul 14 zusammen mit irgendwelchen aus dem Kurbelgehäuse stammenden Kohlenwasserstoffen erreicht, die durch Leitung 31 zurückströmen, wird schließlich das Substrat 22 erreichen, welches in 2 genauer gezeigt ist.
Das Sustrat 22 umfaßt bevorzugt ein metallisches Substrat wie etwa rostfreien Stahl, das einen Zeolith enthaltenden Washcoat aufweist. Alternativ kann das Substrat Cordierit oder ein anderes monolithisches Substratmaterial umfassen, wie es den Fachleuten bekannt und von dieser Offenlegung vorgeschlagen ist. Es wird angemerkt, daß mit der Anordnung von 1 alles an Luft oder anderen Gasen – sowohl jene die in den Motor eintreten, während der Motor sich in normalem Betrieb befindet, wie auch jene die den Motor verlassen, während der Motor abgeschaltet ist – durch Kohlenwasserstoff-Behandlungsmodul 14 und somit durch die Adsorbereinheit gelangen muß. Die ist selbstverständlich auch dann der Fall, wenn die Luft aus Motor 20 stammende, flüchtige Kohlenwasserstoffe enthält.
Das Substrat 22, wie oben bemerkt in 2 – und spezieller in 5 – gezeigt, umfaßt bevorzugt rostfreien Stahl und hat eine Zelldichte von ungefähr 25 Zellen pro Zoll der Substratoberfläche. Substrat 22 kann im Einklang mit einer üblichen Vorgehensweise durch Aufwickeln vorgeformter Bleche und Ofenhartlöten der resultierenden Struktur zu einer einzigen Einheit hergestellt werden.
6 veranschaulicht eine für ein Behandlungsmodul für flüchtige Kohlenwasserstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung geeignete, alternative Ausführungsform eines Substrats, in welchem das Substrat nicht den gesamten zylindrischen Innenraum des Adsorbers ausfüllt, sondern vielmehr nur einen ringförmigen Raum um den Umfang des Moduls herum. In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt Substrat 23 Wellmetall, vorzugsweise rostfreien Stahl, das einen offenen Kernbereich aufweist. Das Adsorbens wird auf die radiale Innenfläche von Substrat 23 aufgebracht. Diese Konfiguration ist vorteilhaft, weil sie – verglichen mit dem in 5 veranschaulichten Substrat – die Möglichkeit einer eingeschränkten Durchflußbeschränkung bietet.
Die Erfinder des vorliegenden Behandlungsmoduls für flüchtige Kohlenwasserstoffe haben bestimmt, daß eine auf Zeolith basierende Kohlenwasserstofffalle exzellente Ergebnisse ergibt, weil die Durchflußrate aus dem Lufteinlaßsystem des Motors heraus recht niedrig ist, wenn der Motor nicht arbeitet. Weil die Durchflußrate sehr niedrig ist, hat der durch Substrat 22 strömende Kohlenwasserstoff eine sehr lange Verweilzeit. Dies erlaubt eine angemessene Zeit damit sich ein Gleichgewicht zwischen dem Zeolith-Adsorbens und dem Adsorbat in der Gasphase (d. h. Kohlenwasserstoff) einstellt. Als ein Ergebnis wird eine höhere Abfangeffizienz erleichtert. Von gleicher Bedeutung ist jedoch die Tatsache, daß – obwohl die Wechselwirkung zwischen dem Kohlenwasserstoff und dem Zeolith stark ist – die zwischen dem Kohlenwasserstoff und dem Zeolith resultierende schwache chemische Bindung wegen des hohen Konzentrationsgradienten, der zwischen dem vom Zeolith abgefangenen Kohlenwasserstoff und der durch das Lufteinlaßsystem zu dem Motor strömenden, kohlenwasserstofffreien Luft besteht, leicht aufgebrochen wird, wenn der Motor einmal gestartet ist.
In einem Test wurde ein Behandlungsmodul für flüchtige Kohlenwasserstoffe im Einklang mit der vorliegenden Erfindung und mit Abmessungen von ungefähr 3 Zoll Länge und 3 Zoll Durchmesser und aus Cordierit bestehend mit Zeolith beschichtet und im Ansaugsystem eines Fahrzeugs plaziert, das einen 2,3 Liter I-4-Motor mit Kanal-Kraftstoffeinspritzung besaß. Das Kohlenwasserstoff-Behandlungsmodul arbeitete sehr effizient und verursachte eine ungefähr 95%ige Senkung in der Emission flüchtiger Kohlenwasserstoffe aus dem Lufteinlaßsystem des Motors.
In einem anderen Test wurde der gleiche 2,3 Liter I-4-Motor mit einem Kohlenwasserstoff-Behandlungsmodul der in 5 gezeigten Konstruktion ausgerüstet, die ein metallisches Substrat von 25 Zellen pro Quadratzoll und den Gesamtabmessungen von 80 mm Durchmesser und 50,4 mm Länge umfaßt. Das Kohlenwasserstoff-Behandlungsmodul senkte die Emissionen an flüchtigen Kohlenwasserstoffen am ersten Tag des Tests um 93 Prozent, und am zweiten Tag um 97 Prozent.
In noch einem anderen Test wurde der gleiche 2,3 Liter I-4-Motor mit einem Behandlungsmodul für flüchtige Kohlenwasserstoffe der in 6 gezeigten Konstruktion mit Abmessungen von 80 mm Länge und 80 mm Durchmesser ausgerüstet. Das Kohlenwasserstoff-Behandlungsmodul senkte die Emissionen an flüchtigen Kohlenwasserstoffen an jedem Tag des Tests um 97%.
Die Fachleute werden mit Blick auf diese Offenlegung erkennen, daß die genauen Abmessungen und die Zeolithbeladung für jeden bestimmten Motor bestimmt werden muß, wobei man solche Faktoren wie die Art des Kurbelgehäuse-Entlüftungssystems und das Layout des Kraftstoff-Ladesystems in Betracht zieht.
2 veranschaulicht eine Kombination aus Luftmeßgerät und Ansaugsystem-Kohlenwasserstoff-Behandlungsmodul im Einklang mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung, in welcher Luftmassenstrom-Meßgerät 16 strömabwärts von Substrat 22 montiert ist. Diese Konfiguration ist vorteilhaft, weil Substrat 22 dazu dient einen laminaren Strom zu verursachen, um Luftmassenstrom-Sensor 16 so einen gut entwickelten Strom zu bieten, der ein sehr konsistentes Geschwindigkeitsprofil besitzt.
Ähnlich veranschaulicht 3 eine Modulkombination 14, die zwei Substrate 22 mit Luftmassenstrom-Sensor 16 dazwischen angeordnet aufweist. Diese Konfiguration bietet einen zusätzlichen Vorteil darin, Luftmassenstrom-Sensor 16 von Strömungsstörungen zu isolieren, die stromabwärts des vorliegenden Moduls entstehen. Strömungsstörungen können die Genauigkeit der Luftmassenstrommessung hemmen und somit die Genauigkeit des Motor-Regelsystems beeinträchtigen, die gewünschte Regelungsgenauigkeit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses zu erreichen.
4 veranschaulicht ein Modul 26, das nicht nur das Kohlenwasserstoff-Abfangsubstrat 22 enthält, sondern auch Luftmassenstrom-Meßgerät 16 und Drosselkörper 18. Jede dieser Komponenten sind in einem einzigen Gehäuse enthalten, welches entweder ein Metall- oder Plastikgehäuse oder jeden anderen Gehäusetyp enthalten kann, der den Fachleuten bekannt ist und von dieser Offenlegung; vorgeschlagen wird. In jedem Fall beseitigt ein einziges Gehäuse die Notwendigkeit mehrerer Klammern, Leitungen und Verbindungen, die alle potentielle Leckagestellen für Emissionen flüchtiger Kohlenwasserstoffe darstellen.
Zusammengefaßt stellt ein Behandlungsmodul für flüchtige Kohlenwasserstoffe gemäß der vorliegenden Erfindung daher ein Mittel bereit, um die Kraftstoffkohlenwasserstoff-Emissionen aus Quellen innerhalb des Motors bedeutend zu senken.
Das vorgeschlagene Modul verwendet Zeolith, welches kristalline Silizium-Aluminiumoxid-Strukturen umfaßt, die in der Lage sind eine schwache chemische Bindung mit Kohlenwasserstoffmolekülen des Typs zu bilden, der typischerweise in Motorkraftstoffen und anderen Quellen im Motor gefunden wird. Obwohl Zeolith insgesamt eine geringere Adsorptionskapazität besitzt als manche Aktivkohle-Materialien, kann Zeolith eine viel stärkere Wechselwirkung mit Kohlenwasserstoffmolekülen erzeugen, was für das Zeolith in einer höheren Effizienz resultiert Kohlenwasserstoffe abzufangen und daran zu hindern aus dem Adsorber heraus zu strömen. Zusätzlich stellt Zeolith auf das Spülen hin Vorteile bereit, wobei das Zeolithmaterial die abgefangenen Kohlenwasserstoffe in einer viel kontrollierteren Art und Weise freisetzt als dies Aktivkohlematerialien tun würden. Als ein Ergebnis wird effizienter Betrieb des Motors während einer Spülung nicht beeinträchtigt.
Ein System und Modul im Einklang mit der vorliegenden Erfindung löst die mit der bisherigen Technik in Zusammenhang stehenden Probleme, indem es einen vollständigen Abfang von Kohlenwasserstoffen bereitstellt, wenn der Motor abgestellt ist; kombiniert mit vorzüglicher Durchströmungsfähigkeit und Regenerierung des Kohlenwasserstoffadsorbers während Betrieb des Motors.

Claims

Ein Verfahren zur Regelung der Emission flüchtiger Kohlenwasserstoffe aus dem Luftansaugsystem und dem Inneren eines Verbrennungsmotors (20); dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte umfaßt flüchtige Kohlenwasserstoffe dazu zu bringen von dem Luftansaugsystem des Motors (20) zurückzuströmen, wenn der Motor (20) abgeschaltet wird, um durch einen Zeolith enthaltenden Adsorber (22) zu strömen und von ihm adsorbiert zu werden; und alle neu angesaugte Luft für den Motor (20) dazu zu bringen durch den Adsorber (22) zu strömen, wenn der Motor arbeitet, um so Kohlenwasserstoffe von dem Adsorber zu desorbieren und die zuvor adsorbierten Kohlenwasserstoffe in den Motor (20) hinein anzusaugen.
Ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem dieser Adsorber ein monolithisches Substrat (22) umfaßt, das einen Zeolith enthaltenden Washcoat aufweist.
Ein Verfahren wie in Anspruch 2 beansprucht, in dem dieses Substrat ein Cordieritsubstrat umfaßt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 1 oder in Anspruch 2 beansprucht, in dem dieser Adsorber ein metallisches Substrat umfaßt, das einen Zeolith enthaltenden Waschcoat aufweist.
Ein Verfahren wie in Anspruch 4 beansprucht, in dem dieses Substrat (22) eine Zelldichte von ungefähr 25 Zellen pro Quadratzoll der Substratoberfläche besitzt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 4 oder in Anspruch 5 beansprucht, in dem dieses Substrat ein Substrat aus rostfreiem Stahl umfaßt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem diese Adsorbereinheit ein ringförmiges metallisches Substrat (23) umfaßt, das einen offenen Kernbereich und einen gewellten Aktivadsorbensbereich besitzt.
Ein Verfahren wie in irgendeinem der vorstehenden Ansprüche beansprucht, in dem das Luftansaugsystem weiterhin ein zwischen der Adsorbereinheit (22) und dem Motor (20) derart angeordnetes Luftdurchfluß-Meßgerät (16) umfaßt, daß alle frisch angesaugte, in den Motor (20) hineinströmende Luft dazu gebracht wird durch das Durchflußmeßgerät (16) zu strömen; und ein Gehäuse, um die oder jede Adsorbereinheit (22) und das Luftdurchfluß-Meßgerät (16) zu enthalten.
Ein Verfahren wie in Anspruch 8 beansprucht, in dem das Luftansaugsystem weiterhin eine zwischen dem Luftdurchfluß-Meßgerät (16) und dem Motor (20) positionierte, zweite Adsorbereinheit (22) umfaßt.
Ein Verfahren wie in Anspruch 8 beansprucht, in dem das Luftansaugsystem weiterhin einen zwischen dem Luftdurchfluß-Meßgerät (16) und dem Motor (20) positionierten Drosselkörper (18) umfaßt, um den Durchfluß an Luft in den Motor (20) hinein zu regeln; und das Gehäuse die Adsorbereinheit (22), das Luftdurchfluß-Meßgerät (16) und den Drosselkörper (18) enthält.