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WO2003014542A1 - Verfahren zur emissionsminderung und kraftstoffeinsparung beim betrieb von verbrennungsmotoren - Google Patents

Verfahren zur emissionsminderung und kraftstoffeinsparung beim betrieb von verbrennungsmotoren Download PDF

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Publication number
WO2003014542A1
WO2003014542A1 PCT/EP2002/008874 EP0208874W WO03014542A1 WO 2003014542 A1 WO2003014542 A1 WO 2003014542A1 EP 0208874 W EP0208874 W EP 0208874W WO 03014542 A1 WO03014542 A1 WO 03014542A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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internal combustion
gas
oxygen
combustion engine
exhaust gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/008874
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English (en)
French (fr)
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WO2003014542A8 (de
Inventor
Helmut Ucke
Dieter Reintanz
Karl Kautz
Original Assignee
Innovationen Zur Verbrennungstechnik Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innovationen Zur Verbrennungstechnik Gmbh filed Critical Innovationen Zur Verbrennungstechnik Gmbh
Publication of WO2003014542A1 publication Critical patent/WO2003014542A1/de
Publication of WO2003014542A8 publication Critical patent/WO2003014542A8/de

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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with at least one cylinder having a combustion chamber, with a manifold for exhaust gas routing and in particular a catalytic converter and / or in particular a catalytically active area, a gas supply area being provided in particular between the cylinder and the catalytic converter and / or the catalytically active area , via which an oxygen-containing gas can be supplied to the exhaust gas.
  • Carbon monoxide (CO) is created when the combustion is incomplete due to a lack of air, which means that the gasoline engine operates with a rich mixture.
  • CO Carbon monoxide
  • the inhomogeneity of the fuel-air mixture in the cylinder leads to local over-greasing, which results in the formation of CO.
  • the gasoline-air mixture is enriched with additional fuel during acceleration processes, which increases the CO, HC and NO x content in the exhaust gas.
  • higher pollutants are emitted in the acceleration phase, particularly in the case of the exhaust gas turbocharged engine.
  • the exhaust gas turbocharger cannot deliver enough air into the cylinder due to its own inertia and lack of exhaust gas quantity, so that too much fuel is injected by the injection pump in proportion. This results in higher HC and particle emissions if this cannot be countered with a boost pressure-dependent control.
  • a reduction in the amount of pollutants results from the use of catalysts.
  • the catalytic converter requires a temperature of at least 250 ° C to 300 ° C for a sufficient conversion of the pollutants it is initially almost ineffective in the cold commissioning or restarting phase of the engine for the first 15 to 20 seconds.
  • the problem is in particular that a stable motor run in the cold commissioning phase requires a rich mixture pilot control, so that the pollutant emissions are particularly high in this phase.
  • a secondary air pump with a downstream secondary air valve is provided, from which a supply line opens into the exhaust tract directly after the exhaust valve.
  • the use of secondary air systems can reduce HC and CO emissions and shorten the light-off time of the catalytic converter.
  • the secondary air system directs fresh air into the manifold for a short time after starting, which leads to HC and CO post-oxidation and thus to an increase in exhaust gas temperature and a reduction in exhaust gas emissions.
  • this does not achieve a sufficient reduction in the HC quantity for future emission standards (EURO 5).
  • the object of the present invention is to significantly reduce the pollutant content in the exhaust gas in an internal combustion engine of the type mentioned at the outset.
  • the present object is achieved in an internal combustion engine of the type mentioned at the outset by providing a gas store connected to the gas supply area or an oxygen generation system connected thereto, as a result of which a gas with an oxygen content of between 22% and 100% is made available. According to the method it is accordingly provided that an oxygen-containing gas with an oxygen content between 22 and 100% is added to the exhaust gas over the gas supply area.
  • the pollutants in the exhaust gas are re-oxidized.
  • the post-oxidation can also take place when a catalyst is dispensed with, the exhaust-gas lines being able to have a catalyzing effect at sufficiently high temperatures.
  • the supply of an oxygen-enriched gas to the exhaust gas and / or directly to the combustion chamber of the internal combustion engine reduces the number of catalysts used in the exhaust gas aftertreatment or the catalyst area required for the exhaust gas aftertreatment, so that the pressure losses in the exhaust gas aftertreatment system decrease, which in turn contributes to a performance gain.
  • a gas store in the form of an exchangeable oxygen pressure bottle is provided or an oxygen generation system which can be coupled to engine operation.
  • an adsorption plant or a plant operating according to a membrane separation process can be used.
  • polymer membranes can be used to enrich the gas stream with oxygen, preferably, into the poly Membrane zeolites are embedded and the gas separation takes place on the basis of different diffusion speeds of the gas components through the membrane or is caused by the zeolite particles.
  • the oxygen-enriched gas should be supplied as close as possible to the combustion chamber. For this reason, it is advisable to arrange the gas supply area between the cylinder and the manifold, it being pointed out that the gas supply area can either be formed in one piece with the exhaust manifold or as a separate component, so that it would in principle also be possible while maintaining the known exhaust gas retrofit a gas supply part together with the oxygen generation system or the gas storage.
  • the term "manifold" means the entire exhaust gas path from the exhaust valve (s) of the cylinder to the first catalytic converter.
  • catalytic converter to be arranged in close proximity (i.e. a few centimeters) to and or on the engine in order to use the engine waste heat to convert the pollutant components.
  • the supply of the oxygen-enriched gas is possible either upstream of the catalyst or in front of the catalyzing region and / or directly to the catalyst or to the catalyzing region.
  • a corresponding control and / or regulating device is then provided for this purpose.
  • the gas supply part preferably has a plurality of outlet openings which are directed at different regions of the catalytic converter or of the catalytically active region.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the inner wall of the manifold has at least partially a particularly catalytically active surface activation and / or a coating with low surface roughness to achieve a very smooth wall of the exhaust manifold. Which of the two aforementioned alternatives is used depends on the respective application.
  • the added oxygen-enriched gas can also be heated. The heating should be carried out up to a temperature close to the operating temperature of the catalyst. It goes without saying that appropriate heating devices are provided for heating the surfaces of the exhaust gas path or the added gas.
  • the heat-dissipating surface of the exhaust gas path from the cylinder to the catalytic converter should be reduced as much as possible. This is accompanied by a corresponding reduction in the size of the exhaust manifold. In this way, there is a reduction in the gas-tangling surfaces, which means that less material has to be heated. Ultimately, this results in a reduction in the heat losses of the exhaust gas by giving off thermal energy to the manifold.
  • the manifold and / or the gas supply part consists of a material with low thermal conductivity, in particular an essentially heat-insulating material such as a ceramic material, so that in the cold commissioning phase only a small proportion of the thermal energy of the exhaust gas through the manifold is transmitted to the environment.
  • the manifold it is also possible for the manifold to be double-walled and to have a heat-insulating air gap.
  • the control or regulation of the addition of oxygen takes place at least until the operating temperature of the catalyst is reached. But even afterwards, especially when there is an increased power requirement of the internal combustion engine, especially when accelerating, it is possible to supply oxygen to the exhaust gas path if there is a corresponding need to reduce HC and CO compounds.
  • the addition of oxygen-enriched gas to the exhaust gas path lends itself to the exhaust gas problem in low engine speed ranges. Due to the higher oxygen content in the exhaust gas path in connection with the unburned fuel content and corresponding control concepts, the exhaust gas temperature upstream of the catalytic converter or particle filter can always be kept within a certain range above the required conversion temperature of the catalytic converter in order to always optimally utilize the conversion rate of the exhaust gas cleaning units.
  • the internal combustion engine preferably has a control and / or regulating device for controlling and / or regulating the addition of oxygen-enriched gas into the combustion chamber. If an oxygen-enriched gas is supplied to the internal combustion engine during the operating state, the efficiency of the internal combustion engine increases with the amount of the added oxygen.
  • the supply of an oxygen-enriched gas is fundamentally advantageous for all internal combustion engines. With diesel engines it is possible that the combustion occurs as a result of the deliberate addition of oxygen before and / or during and / or after the combustion as far as possible with little pollutants and particle-free.
  • the planned legal requirements of 140 grams C0 2 / km can already be met with the targeted use of oxygen in the mid-range vehicle segment.
  • the fuel supply is regulated by an appropriate device depending on the power requirement or the rate of power change.
  • oxygen-enriched gas can be added to the fuel before it enters the combustion chamber, or the oxygen-enriched gas is fed directly to the combustion chamber.
  • the oxygen-enriched gas can also be supplied to the exhaust gas.
  • oxygen supply or enrichment in the core of the combustion is appropriate.
  • oxygen-enriched gas is added directly in the combustion chamber and especially in cold combustion zones in order to achieve a more complete combustion in the primary area of the combustion process.
  • the addition can take place both during and before the injection of the fuel. This ensures that overfatting of the fuel-air mixture is largely counteracted during the starting phase in the combustion chamber, ie in the primary area of the combustion.
  • the above-mentioned optimized cold commissioning phase ultimately produces far less HC than in the combustion process operated with ambient air, for two reasons. On the one hand there is a more complete combustion and on the other hand less fuel is used in the combustion.
  • the addition of oxygen-enriched gas in front of and / or into the combustion chamber is also of considerable advantage when accelerating.
  • the acceleration process uses oxygen to enrich the combustion air by drastically increasing the ignition speeds of the fuel, combined with an enormous increase in torque. This process takes place without a drastically increased addition of fuel and has the effect in a few seconds that the vehicle to be accelerated can be operated particularly well in the city traffic cycle without additional emissions. This process also drastically reduces fuel consumption in city traffic and during all acceleration processes.
  • Another advantage is the significant reduction in the acceleration phase, for example when overtaking or when starting after traffic lights. In the case of small-volume internal combustion engines, the addition of oxygen in the start-up and acceleration phase leads to a large power reserve, which can be seen as an increase in traffic safety with every start-up and acceleration process.
  • the supply of oxygen-enriched air is of great importance, in particular in the lower third of the speed of the internal combustion engine, since generally only a relatively low degree of efficiency is achieved here. Especially in the lower speed range, very good results can be achieved with regard to the increase in performance and the reduction in harmful gas by supplying an oxygen-enriched gas.
  • the supply of an oxygen-enriched gas is preferable for the engine to be switched off in stop phases.
  • the oxygen-affected post-start, the reduced HC emissions and the fuel saved through the reduction in idle losses result in a considerable relief of inner-city traffic emissions.
  • the targeted addition of oxygen-enriched air to the engine can also further reduce the engine idling speed.
  • the compressed air can be generated in the vehicle by one, two or more small compressors.
  • a direct coupling to rotating parts of the motor is a suitable drive.
  • the drive via hydraulic motors is particularly advantageous, with the internal combustion engine supplying a main drive with energy.
  • the drive and / or the compressor are preferably arranged in otherwise empty areas of the engine.
  • the exhaust gas aftertreatment is usually carried out via an upstream oxidation catalytic converter and a reduction catalytic converter, usually a three-way catalytic converter.
  • the air ratio ⁇ the course and the result of the combustion can be influenced, namely the amount, composition, temperature and enthalpy of the combustion gas formed.
  • a further oxidation catalytic converter is connected downstream of the reduction catalytic converter, wherein, preferably, the supply of an oxygen-enriched gas is provided in the exhaust gas stream before the further oxidation catalytic converter.
  • the present invention further relates to an internal combustion engine with at least one cylinder having a combustion chamber and an exhaust gas path adjoining the cylinder.
  • a sieve-shaped or porous gas-permeable body made of a heat and / or corrosion-resistant material such as metal or ceramic is arranged in the exhaust gas path, which is heated by an external heating device at least during the cold start phase of the internal combustion engine in such a way that one Implementation of the pollutants in the exhaust gas with the addition of oxygen-enriched gas on the body and / or in the body and / or in close proximity to the body results.
  • the body thus represents a kind of catalyst, which is very quickly reactive due to the heating by the external heating device. Due to the comparatively large surface area of the sieve-shaped and / or porous body, the exhaust gas passed through the body heats up very quickly, which leads to a drastic reduction in HC / CO emissions. Otherwise, the aforementioned body can be provided on the motor vehicle instead of or in addition to a catalytic converter.
  • the body which is gas-permeable due to its pore-shaped design and provided with channels and thus has a large inner surface, also ensures a uniform mixing of the exhaust gases and, at the same time, in particular in connection with the aforementioned supply of oxygen-rich gas, for an effective burnout of these components.
  • the exhaust gas flow is evened out by the body, which has an extremely positive effect, in particular for a downstream catalytic converter, since the surface load with harmful gases in the catalytic converter is evened out.
  • the external heating device for heating the body.
  • a laser and / or a microwave device and / or an eddy current heating is used as the heating device, which is preferably oriented such that the rays strike the body radially, tangentially, axially or obliquely to the exhaust gas path.
  • the body and / or its housing and / or the laser and / or the microwave Direction can be moved relative to one another during operation in order to achieve an optimal position also as a function of the respective operating state and thus to achieve as uniform a heating of the body as possible.
  • a control and / or regulating device for controlling and / or regulating the temperature of the body as a function of the harmful gas emissions in the exhaust gas.
  • Appropriate measuring electronics can be provided for this purpose, which monitors the temperature of the body and / or the catalytic converter and provides the energy supply and / or oxygen supply that may be required for a more complete oxidation of the harmful gas emissions.
  • the temperature measurement should take place both in front of and behind the catalytic converter and in front of and behind the body, in order to ensure optimum burnout of the HC / CO and as uniform a HC / CO load as possible for the catalytic converter.
  • it makes sense to provide a separate energy supply device for operating the laser in the motor vehicle, which makes it possible to provide high-frequency currents for generating laser beams.
  • the present invention relates to an internal combustion engine with at least two cylinders each having a combustion chamber, with at least one manifold for exhaust gas routing and at least one catalytic converter, the manifold having a number of inlet manifold sections corresponding to the number of cylinders, and the individual inlet manifold sections each merging into a manifold section ,
  • the manifold section has a smaller cross-section in the area of an inlet manifold section than in the area of the inlet manifold section adjacent in the flow direction of the exhaust gas.
  • the manifold section from the first inlet manifold section to the last inlet manifold section be continuously larger, the respective cross-section being adapted to the exhaust gas volume flows of the exhaust gas quantities guided through the inlet manifold sections ⁇ .
  • gas preheating of the oxygen is preferably to be provided in order to compensate for the expansion temperatures which arise as a result of the pressure reduction. This would avoid the cooling effect of the exhaust gases and reach the ignition temperature of the exhaust gases more quickly.
  • the invention relates to a method for operating the internal combustion engine according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a first embodiment of an internal combustion engine according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further embodiment of an internal combustion engine according to the invention
  • Fig. 3 is a representation of temperature and concentration profiles of
  • hydrocarbons are injected into the exhaust gas Gas, measured over a period of 5 seconds starting from the cold start of the engine,
  • Fig. 5 is a schematic representation of the flow diagram of an embodiment of the inventive method for operating a gasoline engine
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the flow diagram of a further embodiment of the method according to the invention for operating a diesel engine.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 1 with at least one cylinder 3 having a combustion chamber 2.
  • An air intake line 4, a throttle valve 5 and an injection valve 6, an intake valve 7 and an ignition coil 8 are assigned to the cylinder 3.
  • An exhaust valve 9, a manifold 10 and a catalytic converter 11 are also assigned to the cylinder 3 is based on the fact that air is drawn into the combustion chamber 2 via the air intake line 4.
  • the volume flow of the intake air is regulated by the throttle valve 5. Together with the intake air, fuel is injected into the combustion chamber 2 via the injection valve 6.
  • the inlet valve 7 is open.
  • the inlet valve 7 is closed, so that the fuel-air mixture is enclosed in the combustion chamber 2 when the outlet valve 9 is closed. Then the combustion reaction of the fuel-air mixture is initiated via a spark from the ignition coil 8, whereupon the piston 3 a is pressed down. Subsequently, the outlet valve 9 is opened so that the exhaust gas exits through the manifold 10 and the downstream catalytic converter 11 into the environment as a result of the return movement of the piston 3 a. It is understood that the invention can also be used in internal combustion engines with auto-ignition.
  • the catalytic converter 11 is not necessarily designed as an external component, but can certainly be designed as a catalytically active region, for example as a catalytically active surface of the manifold 10. However, it is also conceivable that the catalyst 11 is dispensed with entirely. This is possible in particular at high exhaust gas temperatures, since in such a case conventional metallic materials already have a catalytic effect.
  • an oxygen-containing gas is supplied to the exhaust gas via a gas supply area 12.
  • the gas supply area 12 is provided between the cylinder 3 and the catalytic converter 11 according to FIG. 1.
  • a gas with an oxygen content between 22% and 100% is supplied to the exhaust gas via the gas supply area 12.
  • the oxygen-enriched gas can be taken from a gas storage device 29 (not shown in FIG. 1) and / or is generated via an oxygen generation system 13 by the decomposition of air.
  • the oxygen generation system 13 is in particular an adsorption system shown in FIG. 1.
  • an oxygen production system operating according to a membrane separation process is also conceivable, preferably using a polymer membrane in which zeolite particles are embedded, the gas being separated as a result of the different rates of diffusion of the air components through the membrane.
  • the gas storage 29 shown in FIGS. 5 and 6 can in particular be an oxygen pressure bottle, which can be designed as an exchangeable structural unit.
  • the oxygen generation system 13 shown in FIG. 1 has a compressor 14, a water separator 15, at least one adsorber area 16 and a plurality of control valves 17.
  • the oxygen generation system 13 has inlet and outlet valves 18 and a nitrogen outlet 19 as well as a control and / or regulating device 20, a pressure reducing valve 21 and an oxygen store 22.
  • the individual valves 17, 18 are controlled by the control and / or regulating device 20. If an adsorption device is used to generate oxygen, it is advisable to operate the adsorption device in particular according to the pressure-change method PSA or VPSA.
  • To generate an oxygen-enriched gas ambient air with an oxygen content of 21% is drawn in by the compressor 14.
  • the compressor 14 also ensures that the operating pressure required for the oxygen generation of the oxygen generation system 13 is reached. Due to the overpressure, the room air to be separated flows through the oxygen generation system 13. It is not shown, moreover, that the compressor 14 can also be arranged after the oxygen generation system 13, the room air flowing through the oxygen generation system 13 as a result of the negative pressure generated in the process.
  • the adsorber area 16 preferably consists of two adsorber cells 16a, 16b, which are filled with an adsorbent. The adsorption takes place according to the pressure-change method or alternatively according to the temperature-change method. The course of the process of adsorptive oxygen production is not discussed in detail here, since these are processes which have been known for a long time from the prior art.
  • the room air is separated into two gas fractions. While one gas fraction, which has a high nitrogen content, is discharged via the nitrogen outlet 19, the other gas fraction, which has a high oxygen content, is added to the exhaust gas of the internal combustion engine 1 via the gas supply area 12.
  • the flow directions of the room air and that of the two gas fractions in the oxygen generation system 13 are predetermined by the control valves 17 and inlet and outlet valves 18.
  • the control valves 17 and the inlet and outlet valves 18 are arranged and / or are controlled in such a way that the operation of the oxygen generation system 13 can take place optimally according to the pressure change method or the temperature change method.
  • the pressure-change adsorption and the temperature-change adsorption proceed according to the process sequences known from the prior art, all alternative embodiments of these processes known from the prior art also being readily implemented
  • the compressor 14 and / or the water separator 15 and / or the pressure reducing valve 21 are also controlled and / or regulated via the control and / or regulating device 20 in the present case. All process steps relating to the generation of oxygen are preferably controlled or regulated by the control and / or regulating device 20.
  • the oxygen generation system 13 can have an activation device for activating the generated oxygen-enriched gas.
  • the oxygen-enriched gas flows into the oxygen store 22.
  • the oxygen store 22 serves in particular to compensate for pressure fluctuations and to regulate the volume flow of the oxygen-enriched gas.
  • the pressure level of the oxygen-enriched air is reduced by the pressure reducer 21.
  • the pressure reduction should preferably be aimed at a residual overpressure of the oxygen-enriched gas of 0.1 bar.
  • the oxygen content of the enriched gas is preferably 93% with residual portions of 5% argon and 2% nitrogen.
  • the conversion temperature of the catalytic converter is reached much faster after the cold start than would be the case if secondary air were added with ambient air at the same point.
  • the pollutants in the exhaust gas are re-oxidized, which will be discussed in more detail in connection with FIGS. 3 and 4.
  • the gas supply area 12 is preferably formed in one piece with the manifold 10 or the cylinder 3.
  • the gas supply area 12 has at least one separate tubular gas supply part 23.
  • the use of an annular gas supply part in the manner of a nozzle ring is also possible.
  • the gas supply part 23 makes it possible to add the oxygen-enriched gas to the exhaust gas at almost any point within the manifold 10. It is advantageous to place the gas supply part 23 between rule the cylinder 3 and the manifold 10 to arrange, since the exhaust gas immediately after exiting the combustion chamber has the highest temperature and therefore particularly high conversion rates of the pollutants in the exhaust gas are possible when supplying the oxygen-enriched gas.
  • the catalytic converter 11 or the catalytically active region is arranged in the immediate vicinity of the combustion chamber 2 or immediately after the combustion chamber 2. In such a case, it is possible to use the high exhaust gas temperatures for preheating the catalytic converter 11 or the catalytically active area.
  • the outlet opening of the gas supply part 23 ends according to FIG. 1 in the immediate vicinity of the exhaust valve 9 of the internal combustion engine 1. However, it may also be possible that the outlet opening of the gas supply part 23 either upstream of the catalytic converter 11 and / or the catalytically active region and / or immediately - Bar ends in the catalyst 11 and / or in the catalytically active area.
  • the gas supply part 23 can also have a plurality of outlet openings in different areas of the catalyst 11 and / or the catalytically active area. As mentioned above, it can be designed, for example, as an annular or tubular component which has a plurality of inwardly directed nozzles.
  • oxygen-enriched gas can be supplied to the catalyst 11 and / or the catalytically active region in various concentrations and / or in different volume flows via the gas supply part 23.
  • an optimal implementation of the pollutant components takes place depending on the pollutant degradation reactions involved.
  • the inner wall of the elbow 10 has, at least in part, a surface activation that is particularly catalytic to improve the reduction of pollutants and / or a coating with low surface roughness.
  • the inner wall of the manifold 10 can be produced, for example, by an electrolytic process, flame spraying process, a galvanic, chemical or thermal process.
  • the internal combustion engine 1 may have a heating device for heating the gas at least above room temperature and / or a heating device for heating the manifold 10 to achieve a temperature increase in the inner wall of the manifold 10.
  • the manifold 10 is double-walled and has an insulating air gap.
  • the gas supply area 12 and / or the elbow 10 can be made from a material with low thermal conductivity, in particular from a heat-insulating material, such as a ceramic material.
  • the control and / or regulating device 20 serves, in addition to the control and / or the regulation of the oxygen generation system 13 or the oxygen generation, in particular also to control and / or regulate the gas addition into the exhaust gas.
  • the control and / or regulating device 20 is preferably designed such that oxygen-enriched gas is added to the exhaust gas at least until the operating temperature of the catalytic converter 11 is reached. It is not shown that the control and / or regulating device 20 can also be provided for controlling and / or regulating the addition of oxygen-enriched gas into the combustion chamber.
  • the addition of oxygen-enriched gas to the combustion chamber is particularly useful during the cold commissioning phase and / or when the performance of the internal combustion engine 1 is increased.
  • the control and / or regulation of the supply of oxygen-enriched gas takes place in particular as a function of the engine speed, in particular in the low speed range. It is possible that during the addition of oxygen-enriched gas, the amount of fuel supplied to the combustion chamber is reduced, in particular in a proportional ratio.
  • FIG. 1 shows that there is no provision for metering fuel and / or additives into the exhaust gas. However, this does not rule out the possibility that in another embodiment according to the invention it may also be possible to increase the pollutant conversion by supplying fuel and / or additives to the exhaust gas.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of an internal combustion engine 1 according to the invention, which largely corresponds to the first embodiment according to FIG. 1.
  • a sieve-shaped and / or porous gas-permeable body 24 made of a heat and / or corrosion-resistant material, in particular metal or ceramic, is arranged in the exhaust gas path of the internal combustion engine 1.
  • a heating device 24a which is only arranged schematically and which is provided for heating the body 24 in certain operating situations.
  • the outlet opening of the gas supply part 23 is arranged in this case so that the body 24 is heated with the addition of oxygen-enriched gas in the body 24 and / or immediately in front of the body 24 in such a way that an exhaust gas conversion on the body 24 and / or in the body 24 and / or in the immediate vicinity of the body 24 results.
  • the temperature of the body 24 is controlled and / or regulated in particular as a function of the harmful gas emission in the exhaust gas by the control and / or regulating device 20 or another corresponding device.
  • the heating device 24a can be a laser device and / or a microwave device.
  • the heating device 24a should preferably be arranged radially, tangentially, axially or obliquely to the exhaust gas and be movable relative to the body 24 during operation.
  • control and / or regulating device 20 has at least one measuring sensor for temperature and / or harmful gas or oxygen measurement before and / or behind the body 24 and / or can have in front of and / or behind a catalyst 11 or a catalytically active region.
  • the manifold 10 preferably has a number of intake manifold sections corresponding to the number of cylinders 3, the individual intake manifold sections each merging into a manifold section.
  • the manifold section has a smaller cross section in the area of an inlet manifold section than in the area of the inlet manifold section adjacent in the flow direction of the exhaust gas. It is advantageous here that the configuration of the manifold section, in particular the cross section of the manifold section, is adapted to the exhaust gas volume flows of the exhaust gas quantities supplied through the inlet manifold sections.
  • FIG. 3 shows temperature and concentration profiles of the hydrocarbons (emission profiles) as a function of the oxygen concentration and the volume flow of a gas injected into the exhaust gas.
  • the HC mass emissions after the catalytic converter and the temperature before the catalytic converter were measured over a period of 5 seconds starting with the cold start of the engine.
  • a total of 8 lines are shown in FIG. 3, curves 1A, 1B, IC and 1D each corresponding to HC mass emission values after the catalytic converter, while curves 2A, 2B, 2C and 2D correspond to the temperature profiles before the catalytic converter.
  • the curves show the following in detail:
  • IC HC mass emission [g / h] after the catalyst with the addition of 10 kg / h of a gas enriched with 85% oxygen,
  • 2C temperature upstream of the catalyst [° C.] when 10 kg / h of a gas enriched with 85% oxygen are supplied
  • 2D Temperature upstream of the catalyst [° C.] when 15 kg / h of a gas enriched with 85% oxygen are supplied.
  • the temperature upstream of the catalytic converter also depends on the composition and the volume flow of the gas injected into the exhaust gas. From Fig. 3 it can be seen that the temperature upstream of the catalytic converter when room air is added to the exhaust gas rises later within the first 10 operating seconds of the engine and is below the temperatures upstream of the catalytic converter when different volume flows of a gas enriched with 85% oxygen are added can be achieved. The higher the volume flow of the enriched gas added to the exhaust gas, the higher and faster the temperature upstream of the catalytic converter. When the engine is in operation for a longer period of time, the temperature curves which were measured for different volume flows when an oxygen-enriched gas was added converge. After 2 seconds of operation of the engine, the temperature in front of the catalyst when room air is added to the exhaust gas is always below the temperature in front of the catalyst when adding a gas enriched with 85% oxygen.
  • FIG. 5 shows a process flow diagram of a possible embodiment for operating an internal combustion engine 1 according to the invention.
  • the internal combustion engine 1 is supplied with a fuel stream 25, which according to FIG. 5 is gasoline.
  • an oxygen-enriched combustion gas mixture 26 is fed to the internal combustion engine 1 at the points marked a, b, c.
  • the combustion gas mixture 26 it is now possible for the combustion gas mixture 26 to be added to the fuel flow 25 before it enters the internal combustion engine 1 (a) or for the combustion gas mixture 26 to be directly, ie. H. is added to a combustion chamber (not shown in detail) of the internal combustion engine 1 (b).
  • the combustion gas mixture 26 it is also possible for the combustion gas mixture 26 to be introduced into the exhaust gas only after the fuel has been burned (c).
  • the combustion gas mixture 26 is composed of the air stream 27 and the oxygen stream 28, it being possible for the oxygen stream 28 to be oxygen-enriched gas with a preferred oxygen concentration of 93% 0 2 , 5% Ar and 2% N 2 .
  • the oxygen stream 28 can be taken from the gas storage 29 according to FIG. 5, it also being possible, of course, for an oxygen-enriched gas to be provided by a pressure-changing adsorption device or by a membrane separation device.
  • the oxygen concentration is determined by the method used to secure oxygen.
  • the exhaust gas stream 30 is fed to a plurality of catalysts 31, 32, 33.
  • a further oxidation catalytic converter 33 is provided after a first oxidation catalytic converter 31 and a subsequent reduction catalytic converter 32.
  • oxygen is preferably supplied to the exhaust gas stream 30 via the oxygen stream 28.
  • the conversion in the further oxidation catalytic converter 33 can be increased significantly.
  • a partial stream of the combustion gas 26 is supplied to the further oxidation catalyst 33 at the location of the oxygen stream 28.
  • an oxygen-enriched gas is added to the exhaust gas stream 30 before it enters the first oxidation catalytic converter 31 in order to increase sales.
  • FIG. 6 shows a schematic flow diagram of a further embodiment of the method according to the invention for operating a diesel engine 1.
  • the internal combustion engine 1 is also supplied with a fuel stream 25, which, according to FIG. 6, can be diesel fuel, for example. Otherwise, the procedure corresponds to the procedure for operating a gasoline engine shown in FIG. 5.
  • the only exception is the soot filter 34, which is provided instead of the oxidation catalytic converter 33.
  • the exhaust gas stream 30 is supplied with oxygen via the oxygen stream 28 before it enters the soot feeder 34.
  • a partial stream of the combustion gas 26 it is fundamentally possible for a partial stream of the combustion gas 26 to be supplied to the exhaust gas stream 30 instead of the oxygen stream 28.
  • the increased oxygen content in the exhaust gas causes an oxide-active conversion of the soot particles contained in the exhaust gas in the soot filter.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor (1) mit wenigstens einem einen Brennraum (2) aufweisenden Zylinder (3), mit einem Krümmer (10) zur Abgasführung und insbesondere einem Katalysator (11) und/oder insbesondere einem katalytisch wirkenden Bereich, wobei ein Gaszuführbereich (12) insbesondere zwischen dem Zylinder (3) und dem Katalysator (11) und/oder dem katalytisch wirkenden Bereich vorgesehen ist, über den ein sauerstoffhaltiges Gas dem Abgas zuführbar ist. Um ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, den.Schadgasanteil im Abgas bereits kurze Zeit nach der Kaltinbetriebnahme des Motors erheblich zu verrigen, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass mit dem Gaszuführbereich (12) ein Gasspeicher (29) und/oder eine Sauerstofferzeugungsanlage (13) verbunden ist und dass durch den Gasspeicher (29) und/oder die Sauerstofferzeugungsanlage (13) ein Gas mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 22% und 100% dem Abgas über den Gaszuführbereich (12) zuführbar ist.

Description

Verfahren zur Emissionsminderung und Kraftstoffeinsparung beim Betrieb von Verbrennungsmotoren
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder, mit einem Krümmer zur Abgasführung und insbesondere einem Katalysator und/oder insbesondere einem katalytisch wirkenden Bereich, wobei ein Gaszufuhrbereich insbesondere zwischen dem Zylinder und dem Katalysator und/oder dem katalytisch wirkenden Bereich vorgesehen ist, über den ein sauerstoffhaltiges Gas dem Abgas zuführbar ist.
Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen tragen mit ihren Abgasen nicht unerheblich zur Belastung der Umwelt bei, dies vor allem in den Ballungsgebieten mit hoher Kraftfahrzeugdichte. In den Abgasen von Verbrennungsmotoren befinden sich verschiedene Schadstoffe. In Abgasen des Ottomo- tors sind dabei vor allem Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide zu finden. Der Dieselmotor stößt ebenfalls die vorgenannten Schadstoffbestandteile aus, wenn auch teilweise in geringerem Maße. Darüber hinaus sind in den Dieselabgasen auch noch Anteile an Schwefeldioxid sowie ein höherer Partikelausstoß (Ruß) festzustellen.
Kohlenmonoxid (CO) entsteht bei unvollständiger Verbrennung durch Luftmangel, das heißt beim Ottomotor im Betrieb mit fettem Gemisch. Beim Dieselmotor führt die Inhomogenität des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Zylinder zu örtlicher Überfettung mit der Folge von CO-Bildung.
In Zonen, die nicht von der Verbrennungsluft erfasst werden (Brennraumgeometrie), zu niedrigerer Temperaturen an Zylinderwänden (Quench-Effekte), sowie unvollständiger Verbrennung des fossilen Brennstoffes bleiben Kohlenwasserstoffe (HC) über, die als Abgaskomponente unerwünscht sind. Weiterhin entste- hen HC durch die Innenkühlung fetter Gemische bei Ottomotoren, die eine Verbrennung an der unteren Zündgrenze gänzlich unmöglich macht. Ähnlich sind die Verhältnisse beim auf die Wand auftreffenden fetten Kraftstoffstrahl des Dieselmotors. Beim mageren Gemisch kann die Verbrennung durch die zu geringe Verbrennungsenergie zum Erliegen kommen. Auch Verbrennungsunterbre- chungen durch ein Verwehen des Gemisches sind möglich, wobei Gemischinhomogenitäten und kleine Verbrennungsgeschwindigkeiten diesen Effekt unterstützen. Das Abgasverhalten des Verbrennungsmotors im Kraftfahrzeug' ist wegen der instationären Betriebsweise insbesondere in der Kaltinbetriebnahmephase problematisch. Die Kaltinbetriebnahme und in Folge die Warmlaufphase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Motors besonders aber auch des Katalysators zeigen vor allem beim Ottomotor die größten Ausstoßwerte an Emissionen bezüglich der CO- und HC-Konzentration, während die Stickoxide auf vergleichsweise niedrigem Niveau liegen. Die Ursachen liegen in den niedrigen Temperaturen, die zu einer nicht ausreichenden Menge verdampften Kraftstoffes im Zylinder führen. Die Frischladung muß deshalb überfettet werden. Damit kommt es wegen des kalten Motors zu den oben beschriebenen Quench-Effekten und einem zu geringem Sauerstoffanteil. Außerdem wird ein Teil des Kraftstoffes erst nach der Verbrennung von den Brennraumwandungen abgedampft. Mit zunehmender Betriebswärme werden der CO- und der HC-Ausstoß geringer, während der Stickoxidanteil zunimmt.
Beim Dieselmotor mit seiner Einspritzung des Kraftstoffs in den Zylinder sind die Probleme der mangelnden Vermischung von Brennstoff und Sauerstoff geringer. Es spielt aber auch der auf die kalten Brennraumwände gelangende Kraftstoffanteil, der für die Verbrennung nicht rechtzeitig verdampfen kann, eine Rolle. Dieser und der Quench-Effekt bewirken den beim Kaltstart erhöhten HC- Ausstoß, der mit steigender Betriebstemperatur des Katalysators schnell abnimmt.
Bei Ottomotoren wird das Benzin-Luft Gemisch bei Beschleunigungsvorgängen mit zusätzlichem Kraftstoff angereichert, was den CO-, den HC- und auch den NOx- Anteil im Abgas erhöht. Beim Dieselmotor werden vor allem beim abgas- turboaufgeladenen Motor in der Beschleunigungsphase höhere Schadstoffe ausgestoßen. Der Abgasturbolader kann aufgrund seiner eigenen Trägheit und mangelnder Abgasmenge nicht genügend Luft in den Zylinder liefern, so daß von der Einspritzpumpe im Verhältnis zuviel Kraftstoff eingespritzt wird. Dies hat einen höheren HC- und Partikelausstoß zur Folge, wenn dem nicht mit einer ladedruckabhängigen Regelung begegnet werden kann.
Eine Verringerung der Schadstoffmenge ergibt sich durch den Einsatz von Ka- talysatoren. Da der Katalysator für eine ausreichende Konvertierung der Schadstoffe allerdings eine Temperatur von mindestens 250°C bis 300°C benötigt, ist er in der Kaltinbetriebnahme- bzw. in der Wiederinbetriebnahrhephase des Motors die ersten 15 bis 20 Sekunden zunächst nahezu wirkungslos. Problematisch ist in diesem Zusammenhang insbesondere, daß ein stabiler Motorrundlauf in der Kaltinbetriebnahmephase eine fette Gemischvorsteuerung erfordert, so daß die Schadstoffemissionen in dieser Phase besonders hoch sind.
Das in Verbindung mit Katalysatoren aufgetretene Problem ist deshalb von besonderer Bedeutung, da aufgrund neuer gesetzlicher Vorschriften die bisher tolerierte Vorlaufzeit von 40 Sekunden für die Abgasmessung entfällt. Dies bedeutet, daß nunmehr unmittelbar nach dem Kaltstart des Motors eine Entnahme der Abgase vorgenommen wird und dann die gesetzlichen Vorgaben bereits erfüllt sein müssen. Weil die Anspringtemperatur des Katalysators nicht ohne weiteres herabgesetzt werden kann, ist man dazu übergegangen, nach Lösungen für dieses Problem zu suchen.
Es ist bereits versucht worden, das vorgenannte Problem dadurch zu lösen, daß in den Abgasweg Sekundärluft eingeblasen wird. Hierzu ist eine Sekundärluftpumpe mit einem nachgeschalteten Sekundärluftventil vorgesehen, von dem aus eine Zuführleitung in den Abgastrakt, direkt nach dem Auslaßventil mündet. Durch den Einsatz von Sekundärluftsystemen lässt sich eine Verminderung der HC- und der CO-Emission sowie eine Verkürzung der Anspringzeit des Katalysators erzielen. Das Sekundärluftsystem leitet nach dem Start für kurze Zeit Frischluft in den Krümmer, was zu einer HC- und CO-Nachoxidation und somit zu einem Anstieg der Abgastemperatur und zur Reduzierung der Abgasemissio- nen führt. Eine hinreichende Absenkung der HC-Menge für künftige Abgasnormen (EURO 5) wird hierdurch jedoch nicht erreicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art den Schadstoffanteil im Abgas erheblich zu verringern.
Die vorliegende Aufgabe ist bei einem Verbrennungsmotor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein mit dem Gaszuführbereich verbundener Gasspeicher oder eine damit verbundene Sauerstofferzeugungsanlage vorgesehen ist, wodurch ein Gas mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 22% und 100% zur Ver- fügung gestellt wird. Verfahrensgemäß ist dementsprechend vorgesehen, daß dem Abgas ein sauerstoffhaltiges Gas mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 22 und 100% über den Gaszuführbereich zugegeben wird.
Versuche im Zusammenhang mit der Erfindung haben gezeigt, daß die Zufüh- rung von sauerstoffangereichtem Gas und insbesondere von im wesentlichen stark angereichertem Sauerstoff in den Abgasweg dazu fuhrt, daß die Konvertierungstemperatur des Katalysators wesentlich schneller erreicht wird, als dies bei einer Sekundärluftzugabe mit Umgebungsluft an der gleichen Stelle der Fall ist. Gegenüber der Sekundärluftzugabe an gleicher Stelle ist die Menge der HC nach dem Katalysator um weit mehr als 40% während der ersten 50 Sekunden der Kaltinbetriebnahmephase verringert worden. Diese Versuche sind ohne jegliche motorische Optimierung durchgeführt worden.
Darüber hinaus kommt es bei ausreichend hohen Temperaturen unter Zufuhr des sauerstoffangereicherten Gases zu einer Nachoxidation der Schadstoffe im Abgas. Die Nachoxidation kann auch bei Verzicht auf einen Katalysator stattfinden, wobei die abgasführenden Leitungen bei ausreichend hohen Temperaturen an sich schon katalysierend wirken können. Durch die Zuführung des sauerstoffangereicherten Gases zum Abgas ist es möglich, für sämtliche zur Verfügung stehenden Kraftstoffe, zum Beispiel Benzin, Diesel, Methylester, Biogas, Erdgas und weitere, in Zukunft entwickelte Kraftstoffe eine Verringerung des Schadstoffgehaltes im Abgas zu bewirken.
Die Zufuhr eines sauerstoffangereicherten Gases zum Abgas und/oder direkt zum Brennraum des Verbrennungsmotors reduziert die Anzahl der in der Abgasnachbehandlung eingesetzten Katalysatoren bzw. die zur Abgasnachbehandlung notwendige Katalysatorfläche, so daß die Druckverluste in der Abgasnachbehandlungsanlage sinken, was wiederum zu einem Leistungsgewinn beiträgt.
Im Gegensatz zur Sekundärluftzuführung ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung entweder ein Gasspeicher in Form einer austauschbaren Sauerstoff- druckflasche vorgesehen oder aber eine Sauerstofferzeugungsanlage, die an den Motorbetrieb gekoppelt sein kann. Hierbei kann beispielsweise eine Adsorptionsanlage oder eine nach einem Membrantrennverfahren arbeitende Anlage zum Einsatz kommen. Beispielsweise können Polymermembranen zur Sauerstoffanreicherung des Gasstroms eingesetzt werden, wobei, vorzugsweise, in die Poly- mermembran Zeolithe eingebettet sind und die Gastrennung auf der Grundlage unterschiedlicher Difflisionsgeschwindigkeiten der Gaskomponenten durch die Membran erfolgt bzw. durch die Zeolithpartikel bewirkt wird.
Die Zuführung des sauerstoffangereicherten Gases sollte so nah wie möglich am Brennraum erfolgen. Aus diesem Grunde bietet es sich an, den Gaszuführbereich zwischen dem Zylinder und dem Krümmer anzuordnen, wobei daraufhinzuweisen ist, daß der Gaszuführbereich entweder einstückig mit dem Abgaskrümmer oder aber als separates Bauteil ausgebildet sein kann, so daß es grundsätzlich auch möglich wäre, unter Beibehaltung des bekannten Abgaslαümmer ein Gaszuführteil zusammen mit der Sauerstofferzeugungsanlage bzw. dem Gasspeicher nachzurüsten. In diesem Zusammenhang darf darauf hingewiesen werden, daß mit der Bezeichnung "Krümmer" der gesamte Abgasweg von dem/den Auslass- ventil/en des Zylinder bis zum ersten Katalysator gemeint ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, den Katalysator in unmittelbarer Nähe (d.h. wenige Zentimeter) zum und oder am Motor anzuordnen, um die Motorabwärme für die Umsetzung der Schadstoffkomponenten zu nutzen.
Die Zufuhr des sauerstoffangereicherten Gases ist entweder vor dem Katalysator bzw. vor dem katalysierend wirkenden Bereich und/oder auch unmittelbar zum Katalysator bzw. zum katalysierend wirkenden Bereich möglich. Darüber hinaus ist es auch vorstellbar, das sauerstoffangereicherte Gas in verschiedenen Zonen des Katalysators bzw. des katalysierend wirkenden Bereiches mit unter- schiedlichem Sauerstoffgehalt und/oder unterschiedlichem Volumenstrom zuzugeben, um eine homogene Temperaturverteilung im Katalysator und die optimale Sauerstoffkonzentration für die betreffenden Schadstoffumsetzungsreaktionen sicherzustellen. Hierzu ist dann eine entsprechende Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen. Vorzugsweise weist das Gaszuführteil dazu mehrere Auslaßöffnungen auf, die auf verschiedene Bereiche des Katalysators bzw. des katalytisch wirkenden Bereichs gerichtet sind. Es versteht sich von selbst, daß die Zugabe des sauerstoffreichen Gases dann über ein geeignetes Meß- und Regelungssystem erfolgen kann.
Um ein Niederschlagen von HC-Verbindungen im Bereich des Abgasweges zu verringern, ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Innenwandung des Krümmers zumindest teilweise eine insbesondere katalytisch wirkende Oberflächenaktivierung und/oder eine Beschichtung geringer Oberflächenrauhigkeit zur Erzielung einer sehr glatten Wandung des Abgaskrümmers aufweist. Welche der beiden vorgenannten Alternativen angewendet wird, hängt von dem jeweiligen Einsatzfall ab.
Der weiteren Verringerung des Schadgasanteils im Abgas dient es, wenn der zugegebene Sauerstoff aktiviert ist. Dem gleichen Ziel dient es auch, die Oberflächen im Abgasweg zumindest so lange aufzuheizen, bis die Konvertierungstem- peratur des Katalysators erreicht ist. Die Aufheizung sollte bis auf eine Temperatur oberhalb der Reaktionstemperatur des Katalysators vorgenommen werden. Aber auch nach Reaktion des Katalysators kann es sich anbieten, die vorgenannten Oberflächen weiter aufzuheizen bzw. weiter zu beheizen, da hierdurch der Anteil der dem Katalysator zugeführten Schadstoffe verringert wird. Alter- nativ zur Aufheizung der Oberflächen im Abgasweg oder aber auch in Kombination dazu kann auch das zugegebene sauerstoffangereichte Gas aufgeheizt werden. Die Aufheizung sollte hier bis auf eine Temperatur nahe der Betriebstemperatur des Katalysators vorgenommen werden. Dabei versteht es sich natürlich, daß zur Aufheizung der Oberflächen des Abgasweges bzw. des zugegebe- nen Gases entsprechende Heizeinrichtungen vorgesehen sind.
Desweiteren sollte die wärmeableitende Oberfläche des Abgasweges vom Zylinder zum Katalysator so weit wie möglich verringert werden. Dies geht mit einer entsprechenden Verkleinerung des Abgaskrümmers einher. Auf diese Weise er- gibt sich eine Reduzierung der abgastangierenden Oberflächen, was dazu führt, daß auch weniger Material aufzuheizen ist. Letztlich ergibt sich hierdurch eine Verringerung der Wärmeverluste des Abgases durch Abgabe von Wärmeenergie an den Krümmer. Dem gleichen Ziel dient im übrigen, daß der Krümmer und/oder das Gaszufuhrteil aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit, insbesondere einem im wesentlichen wärmeisolierenden Material wie beispielsweise einem keramischen Werkstoff besteht, so daß in der Kaltinbetriebnahmephase nur ein geringer Anteil der Wärmeenergie des Abgases durch den Krümmer an die Umgebung übertragen wird. Alternativ ist es auch möglich, daß der Krümmer doppelwandig ausgeführt ist und einen wärmedämmenden Luftspalt aufweist. Darüber hinaus ist es günstig, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Zugabe des sauerstoffangereichten Gases in den Abgasweg vorzusehen. Hierdurch ist eine Anpassung der Sauerstoffzugabe in Abhängigkeit von den jeweiligen Verhältnissen bei der Verbrennung zur Erzie- lung einer optimierten Abgasnachbehandlung möglich.
Die Steuerung bzw. Regelung der Sauerstoffzugabe erfolgt dabei zumindest bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators. Aber auch anschließend, insbesondere bei erhöhter Leistungsanforderung des Verbrennungsmotors, insbe- sondere beim Beschleunigen, ist es möglich, Sauerstoff dem Abgasweg zuzuführen, wenn ein entsprechender Bedarf zur Reduzierung von HC- und CO- Verbindungen besteht.
Da bei der neueren Motorentechnik auf reduzierte Verbrennungstemperaturen geachtet wird, um die Entstehung von NOx zu verhindern, kommt es hierbei zu einer verminderten Abgastemperatur in niedrigen Drehzahlbereichen des Motors. Die Entstehung von erhöhten Schadstoffausstößen infolge geringer Abgastemperatur wird durch Unterschreitung der Betriebstemperatur des Katalysators bzw. des Rußfilters (Partikelfilters) begünstigt.
Zur Abgasproblematik in niedrigen Drehzahlbereichen bietet sich die Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas in den Abgasweg geradezu an. Durch höhere Sauerstoffanteile im Abgasweg kann in Verbindung mit den unverbrannten Kraftstoffanteilen und entsprechenden Regelkonzepten die Abgastemperatur vor dem Katalysator bzw. Partikelfilter in einer gewissen Bandbreite immer oberhalb der erforderlichen Konvertierungstemperatur des Katalysators gehalten werden, um die Umsetzungsrate der Abgasreinigungseinheiten immer optimal auszunutzen.
Vorzugsweise weist der Verbrennungsmotor eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas in den Brennraum auf. Wird dem Verbrennungsmotor während des Betriebszustandes ein sauerstoffangereichertes Gas zugeführt, erhöht sich der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors mit der Menge des zugegebenen Sauer- Stoffes. Die Zufuhr eines sauerstoffangereicherten Gases ist dabei grundsätzlich bei allen Verbrennungsmotoren von Vorteil. Bei Dieselmotoren ist es möglich, daß die Verbrennung durch .die gezielte Sauerstoffzugabe vor und/oder während und/oder nach der Verbrennung weitestgehend schadstoffarm und partikelfrei abläuft. Die vorgesehenen gesetzlichen Vorgaben von 140 Gramm C02/Kilome- ter lassen sich mit der gezielten Sauerstoffanwendung im Mittelklassefahrzeug- segment schon j etzt einhalten.
Die Kraftstoffzufuhr wird je nach Leistungsanforderung bzw. Leistungsände- rungsgeschwindigkeit durch eine entsprechende Eimichtung geregelt. Besonders günstig ist es in diesem Zusammenhang, daß während der Kaltinbetriebnahme- phase und/oder bei erhöhter Leistungsanforderung, also beim Beschleunigen, einerseits Sauerstoff zugegeben und andererseits die dem Brennraum zugeführte Kraftstoffmenge verringert wird, während die Leistung gleich bleibt oder sogar ansteigt. Dabei kann sauerstoffangereichertes Gas dem Brennstoff vor Eintritt in den Brennraum zugegeben werden, oder das sauerstoffangereicherte Gas wird unmittelbar dem Brennraum zugeführt. Darüber hinaus kann das sauerstoffangereicherte Gas auch dem Abgas zugeführt werden. Insbesondere in Verbindung mit Motoren, die nach dem FSI-Schichtlademodus arbeiten, und/oder bei direkter Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsraum bietet sich eine Sauerstoffzufuhr bzw. -anreicherung im Kern der Verbrennung an. Zur Reduzierung der im Brennraum entstehenden HC wird direkt im Brennraum und insbesondere in Zonen kalter Verbrennung sauerstoffangereichertes Gas zugegeben, um eine vollständigere Verbrennung im Primärbereich des Verbrennungsprozesses zu realisieren. Die Zugabe kann dabei sowohl beim, als auch vor dem Einspritzen des Kraftstoffes erfolgen. Hierdurch wird gewährleistet, daß während der Anlaßphase im Brennraum, also im Primärbereich der Verbrennung, einer Überfettung des Brennstoff-Luft-Gemisches weitestgehend entgegengewirkt wird.
Durch die vorgenannte optimierte Kaltinbetriebnahmephase entsteht letztlich weit weniger HC als bei dem mit Umgebungsluft betriebenen Verbrennungspro- zess und zwar aus zweierlei Gründen. Einerseits findet eine vollständigere Verbrennung statt und andererseits wird weniger Kraftstoff bei der Verbrennung verwendet.
Die Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas vor und/oder in den Brennraum ist beim Beschleunigen ebenfalls von erheblichem Vorteil. Mit der Zugabe von Sauerstoff zur Anreicherung der Verbrennungsluft setzt der Beschleunigungs- vorgang durch eine drastische Erhöhung der Zündgeschwindigkeiten des Brennstoffes, verbunden mit einem enormen Anstieg des Drehmomentes ein. Dieser Prozess erfolgt ohne drastisch erhöhte Kraftstoffzugabe und wirkt sich in weni- gen Sekunden so aus, daß das zu beschleunigende Fahrzeug ohne Mehremissionen besonders gut im Stadtverkehrszyklus betrieben werden kann. Dieser Prozess verringert im übrigen den Kraftstoffverbrauch im Stadtverkehr und bei sämtlichen Beschleunigungsvorgängen drastisch. Vorteilhaft ist auch die deutliche Verkürzung der Beschleunigungsphase zum Beispiel bei Überholvorgängen oder beim Anfahren nach Ampelstops. Bei kleinvolumigen Verbrennungsmotoren führt die Sauerstoffzugabe in der Anfahr- und Beschleunigungsphase zur einer großen Leistungsreserve, die bei jedem Anfahr- und Beschleunigungs Vorgang als eine Erhöhung der Verkehrssicherheit angesehen werden kann.
Weiterhin ist die Zufuhr sauerstoffangereicherter Luft insbesondere im unteren Drehzahldrittel des Verbrennungsmotors von großer Bedeutung, da hier in der Regel nur ein relativ geringer Wirkungsgrad erreicht wird. Vor allem im unteren Drehzahlbereich können daher durch die Zufuhr eines sauerstoffangereicherten Gases sehr gute Ergebnisse im Hinblick auf die Leistungssteigerung und die Schadgasreduzierung erzielt werden.
Innerstädtisch und im Stop-and-Go Verkehr bietet es sich durch die Zufuhr eines sauerstoffangereicherten Gases vorzugsweise an, daß der Motor in Stop-Phasen abgeschaltet wird. Der sauerstoffbeaufschlagte Nachstart, die verringerte HC- Emission und der eingesparte Kraftstoff durch die Reduzierung der Leerlaufverluste bewirken eine erhebliche Entlastung der innerstädtischen Verkehrsemissionen. Durch die gezielte Zugabe sauerstoffangereicherter Luft zum Motor kann ebenfalls die Leerlaufdrehzahl des Motors noch weiter reduziert werden.
Der Energiebedarf zur Sauerstofferzeugung wird durch die gezielte Zugabe des sauerstoffangereicherten Gases um ein Vielfaches zurückgewonnen, da Wirkungsgraderhöhungen im unteren Drehzahlbereich, Kraftstoffeinsparungen beim Startvorgang und beim Beschleunigen zu einer Effizienzsteigerung des Verbrennungsprozesses führen. Die Zugabe eines sauerstoffangereicherten Gases zum Verbrennungsprozeß ermöglicht es daher, kleinere Verbrennungsmotoren mit den gleichen bisher bekannten Leistungsmerkmalen unproblematisch zu realisieren.
In der Praxis ist es derzeit vorgesehen, Kraftstoff bzw. Additive in den Abgas- ström zu dosieren, um die Rußfilter bzw. Katalysatoren zu regenerieren. Bei diesen Verfahren werden Druckdifferenzmessungen über den Rußfilter bzw. ein Stickoxidsensor nach dem Speicherkatalysator eingesetzt, um bei Erreichen bestimmter Grenzwerte eine Regeneration der Abgasreinigungseinheit einzuleiten. Auf diese Technik kann mit der Zudosierung von Sauerstoff verzichtet werden. Die gezielte Zugabe von angereichertem Sauerstoff zur Abgasnachbehandlung bringt wesentliche Vorteile bei der Schadstoffreduzierung, weil die hierdurch erreichbaren konstanten Mindestbetriebstemperaturen der Abgasreinigungseinheiten durch die Zudosierung von angereichertem Sauerstoff ohne die Zugabe von zusätzlichem Kraftstoff bzw. Additiv eingehalten werden.
Die Drucklufterzeugung im Fahrzeug kann durch einen, zwei oder mehrere kleine Verdichter bzw. Kompressoren erfolgen. Als Antrieb bietet sich eine Direktkopplung an rotierende Teile des Motors an. Besonders vorteilhaft ist der Antrieb über Hydraulikmotoren, wobei vom Verbrennungsmotor ein Hauptan- trieb mit Energie gespeist wird. Vorzugsweise werden der Antrieb und/oder der Kompressor in ansonsten leerstehenden Bereichen des Motors angeordnet.
Die Abgasnachbehandlung erfolgt in der Regel über einen vorgeschalteten Oxidationskatalysator und einen Reduktionskatalysator, in der Regel einen Drei- Wege-Katalysator. Bei diesem Verfahren erreicht der Reduktionskatalysator seine größten Umsatzraten nur innerhalb einer sehr engen Bandbreite nahe eines Luftverhältnisses von λ = 1. Mit dem Luftverhältnis λ können der Ablauf und das Ergebnis der Verbrennung beeinflußt werden, nämlich Menge, Zusammensetzung, Temperatur und Enthalpie des entstehenden Verbrennungsgases. Für λ = 1 wird der Verbrennungsreaktion gerade die stöchiometrisch erforderliche Mindestluftmenge zugeführt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß dem Reduktionskatalysator noch ein weiterer Oxidationskatalysator nachgeschaltet wird, wobei, vorzugsweise, vor dem weiteren Oxidationskatalysator die Zufuhr eines sauerstoffangereicherten Gases in den Abgasstrom vorgesehen wird. Da- durch kann die Konzentration der schädlichen Kohlenwasserstoffe durch Oxida- tion noch stärker gesenkt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin einen Verbrennungsmotor mit wenigstens einem einen Brennraum aufweisenden Zylinder und einem sich an den Zylinder anschließenden Abgasweg.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ist im Abgasweg ein siebförmiger oder poröser gasdurchlässiger Körper aus einem wärme- und/oder korrosionsbeständigen Material wie beispielsweise Metall oder Keramik angeordnet, der durch eine externe Heizeir chtung zumindest während der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors derart aufgeheizt wird, daß sich eine Umsetzung der Schadstoffe im Abgas unter Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas am Körper und/oder im Körper und/oder in unmittelbarer Nähe zum Körper ergibt. Der Körper stellt damit quasi einen Katalysator dar, der aufgrund der Aufheizung durch die externe Heizeimichtung sehr schnell reaktiv ist. Aufgrund der vergleichs- weise großen Oberfläche des siebförmig und/oder porös ausgebildeten Körpers heizt sich das durch den Körper hmdurchgeführte Abgas sehr schnell auf, was zu einer drastischen Reduktion der HC/CO-Emissionen führt. Im übrigen kann der vorgenannte Körper statt eines oder zusätzlich zu einem Katalysator am Kraftfahrzeug vorgesehen sein.
Der Körper, der aufgrund seiner porenförmigen, mit Kanälen versehenen Ausgestaltung gasdurchlässig ist und damit eine große innere Oberfläche aufweist, sorgt außerdem für eine gleichmäßige Vermischung der Abgase und zugleich, insbesondere in Verbindung mit der vorgenannten Zufuhr von sauerstoffange- reichtem Gas, für einen effektiven Ausbrand dieser Bestandteile. Darüber hinaus wird durch den Körper der Abgasstrom vergleichmäßigt, was sich insbesondere für einen nachgeschalteten Katalysator ausgesprochen positiv auswirkt, da sich die Oberflächenbelastung mit Schadgasen im Katalysator vergleichmäßigt.
Grundsätzlich bestehen verschiedene Möglichkeiten, die externe Heizeinrichtung zur Aufheizung des Körpers zu realisieren. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird als Heizeinrichtung ein Laser und/oder eine Mikrowelleneinrichtung und/oder eine Wirbelstromaufheizung verwendet, der/die vorzugsweise derart ausgerichtet ist, daß die Strahlen radial, tangential, axial oder schräg zum Ab- gasweg auf den Körper auftreffen. Darüber hinaus bietet es sich an, daß der Körper und/oder sein Gehäuse und/oder der Laser und/oder die Mikrowellenein- richtung während des Betriebes relativ zueinander bewegbar sind, um eine optimale Stellung auch in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustandes und um damit eine möglichst gleichmäßige Aufheizung des Körpers zu erzielen.
Von besonderem Vorteil ist die Realisierung einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur des Körpers in Abhängigkeit der Schadgasemissionen im Abgas. Hierzu kann eine entsprechende Messelektronik vorgesehen sein, die die Temperatur des Körpers und/oder des Katalysator überwacht und für die etwaig erforderliche Energiezufuhr und/oder Sauerstoffzufuhr zur vollständigeren Oxidation der Schadgasemissionen sorgt. Wie zuvor ausgeführt worden ist, sollte die Temperaturmessung sowohl vor und hinter dem Katalysator als auch vor und hinter dem Köφer erfolgen, um einen optimalen Ausbrand der HC/CO und eine möglichst gleichmäßige HC/CO Belastung für den Katalysator zu gewährleisten. Im übrigen bietet es sich an, für den Betrieb des Lasers im Kraftfahrzeug eine separate Energieversorgungseinrichtung vorzusehen, die es ermöglicht, hochfrequente Ströme zur Erzeugung von Laserstrahlen zur Verfügung zu stellen.
Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor mit wenigstens zwei jeweils einen Brennraum aufweisenden Zylindern, mit wenigstens einem Krümmer zur Abgasführung und wenigstens einem Katalysator, wobei der Krümmer eine der Anzahl der Zylinder entsprechende Anzahl von Eingangskrümmerabschnitten aufweist und wobei die einzelnen Eingangskrümmerabschnitte jeweils in einen Sammelkrümmerabschnitt übergehen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ist nun vorgesehen, daß der Sammelkrümmerabschnitt im Bereich eines Eingangskrümmerabschnitts einen geringeren Querschnitt aufweist als im Bereich des in Strömungsrichtung des Abgases benachbarten Eingangskrümmerabschnitts. Im Ergebnis ist also vorgesehen, den Sammelkrümmerabschnitt vom ersten Eingangskrümmerabschnitt zum letzten Eingangskrümmerabschnitt kontinuierlich größer werden zu lassen, wobei der jeweilige Querschnitt an die Abgas volumenströme der durch die Eingangskrümmerabschnitte ^geführten Abgasmengen strömungstechnisch angepaßt ist. Auf diese Weise ergeben sich mehrere Vorteile. Durch die Verringerung des Quer- Schnittes im SammellαΗmmerabschnitt im Bereich des in Strömungsrichtung des Abgases ersten Eingangskrümmer ergibt sich eine Reduzierung der Toträume, was einerseits eine Ablagerung und andererseits eine nachhaltige Strömungsbeeinflussung der austretenden Abgase in das dort stehende Abgas im wesentlichen vermeidet. Weiterhin ergibt sich eine schnellere Erwärmung des Krümmers, da weniger Krümmermaterial aufzuheizen ist. Durch diese Ausführung ergeben sich weniger Leistungseinbußen verursachende Abgasturbulenzen und dadurch geringere Druckverluste beim Austritt der Abgase aus dem Eingangskrümmerabschnitt in den Sammelkrümmerabschnitt.
Beim Einsatz einer Sauerstoffdruckgasflasche ist vorzugsweise eine Gasvor- wärmung des Sauerstoffes vorzusehen, um die Expansionstemperaturen, die durch die Druckreduzierung entstehen, zu kompensieren. Somit würde der Abkühleffekt der Abgase vermieden und die Zündtemperatur der Abgase schneller erreicht.
Durch die Anwendung der Sauerstoffanreicherung besteht zur Motorinbetriebnahme in der Kaltinbetriebnahmephase und im „Stop and Go"-Betrieb für die Motorenabschaltung mit anschließender Neustartmöglichkeit speziell im Verkehr von Ballungsgebieten ein enormes Energieeinsparpotenzial verbunden mit der drastischen Reduzierung der Abgasemissionen zur Verfügung.
Im übrigen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des erfindungsge- mäßen Verbrennungsmotors.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,
Fig. 3 eine Darstellung von Temperatur- und Konzentrationsverläufen von
Kohlenwasserstoffen in Abhängigkeit von der Sauerstoffkon- zentration und dem Volumenstrom eines in das Abgas eingedüsten Gases, gemessen über einen Zeitraum von 5 Sekunden beginnend mit dem Kaltstart des Motors,
Fig. 4 eine Darstellung von Temperatur- und Konzentrationsverläufen von Kohlenwasserstoffen in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration und dem Volumenstrom eines in das Abgas eingedüsten Gases, gemessen über einen Zeitraum von 50 Sekunden beginnend mit dem Kaltstart des Motors,
Fig. 5 eine schematische Darstellung des Fließbildes einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Benzinmotors und
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Fließbildes einer weiteren Aus- führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Dieselmotors.
In Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 1 mit wenigstens einem einen Brennraum 2 aufweisenden Zylinder 3 dargestellt. Dem Zylinder 3 zugeordnet sind eine Luft- ansaugleitung 4, eine Drosselklappe 5 sowie ein Einspritzventil 6, ein Einlaßventil 7 und eine Zündspule 8. Weiterhin sind dem Zylinder 3 zugeordnet ein Auslaßventil 9, ein Krümmer 10 und ein Katalysator 11. Die Funktionsweise des Motors 1 beruht darauf, daß Luft über die Luftansaugleitung 4 in den Brennraum 2 angesaugt wird. Der Volumenstrom der angesaugten Luft wird dabei durch die Drosselklappe 5 reguliert. Zusammen mit der angesaugten Luft wird über das Einspritzventil 6 Brennstoff in den Brennraum 2 eingespritzt. Während des Luftansaugvorgangs bzw. der Brennstoffeinspritzung ist das Einlaßventil 7 geöffnet. Befinden sich die Verbrennungsluft und der Brennstoff im Brennraum 2, wird das Einlaßventil 7 geschlossen, so daß das Brennstoff-Luft-Gemisch bei ge- schlossenem Auslaßventil 9 im Brennraum 2 eingeschlossen ist. Alsdann wird über einen Funken der Zündspule 8 die Verbrennungsreaktion des Brennstoff- Luftgemisches initiiert, worauf der Kolben 3 a nach unten gedrückt wird. Anschließend wird das Austrittsventil 9 geöffnet, so daß infolge der Rückstellbewegung des Kolbens 3 a das Abgas durch den Krümmer 10 und den nachge- schalteten Katalysator 11 in die Umgebung austritt. Es versteht sich, daß die Erfindung auch bei Verbrennungsmotoren mit Selbstzündung eingesetzt werden kann.
Der Katalysator 11 ist nicht notwendigerweise als externes Bauteil ausgeführt, sondern kann durchaus als katalytisch wirkender Bereich, beispielsweise als katalytisch wirkende Oberfläche des Krümmers 10, ausgebildet sein. Es ist jedoch auch vorstellbar, daß auf den Katalysator 11 ganz verzichtet wird. Dies ist insbesondere bei hohen Abgastemperaturen möglich, da in einem solchen Fall bereits herkömmliche metallische Werkstoffe katalytische Wirkung entfalten.
Vorgesehen ist nun, daß ein sauerstoffhaltiges Gas über einen Gaszuführbereich 12 dem Abgas zugeführt wird. Der Gaszuführbereich 12 ist gemäß der Fig. 1 zwischen dem Zylinder 3 und dem Katalysator 11 vorgesehen. Über den Gaszuführbereich 12 wird dem Abgas ein Gas mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 22%o und 100%) zugeführt. Das sauerstoffangereicherte Gas kann einem in Fig. 1 nicht dargestellten Gasspeicher 29 entnommen werden und/oder wird über eine Sauerstofferzeugungsanlage 13 durch die Zerlegung von Luft erzeugt. Bei der Sauerstofferzeugungsanlage 13 handelt es sich insbesondere um eine in Fig. 1 dargestellte Adsoφtionsanlage. Alternativ ist auch der Einsatz einer nach einem Membrantrennverfahren arbeitenden Sauerstofferzeugungsanlage denkbar, vorzugsweise unter Einsatz einer Polymermembran, in die Zeolithpartikel eingebettet sind, wobei infolge der unterschiedlichen Diffusionsgeschwindigkeiten der Luftbestandteile durch die Membran die Gastrennung erfolgt.
Bei dem in den Fig. 5 und 6 dargestellten Gasspeicher 29 kann es sich insbesondere um eine Sauerstoff-Druckflasche handeln, die als austauschbare Baueinheit ausgebildet sein kann.
Die in Fig. 1 dargestellte Sauerstofferzeugungsanlage 13 weist einen Verdichter 14, einen Wasserabscheider 15, wenigstens einen Adsorberbereich 16 sowie mehrere Steuerventile 17 auf. Darüber hinaus weist die Sauerstofferzeugungsanlage 13 Ein- und Austrittsventile 18 und einen Stickstoffauslaß 19 sowie eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20, ein Druckminderventil 21 und einen Sauerstoffspeicher 22 auf. Die einzelnen Ventile 17, 18 werden von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 angesteuert. Wird eine Adsoφtionseinrichtung zur Sauerstofferzeugung eingesetzt, so bietet es sich an, die Adsoφtionseinrichtung insbesondere nach dem Druck- Wechsel- Verfahren PSA bzw. VPSA zu betreiben. Zur Erzeugung eines sauerstoffangereicherten Gases wird von dem Verdichter 14 Umgebungsluft mit einem Sau- erstoffgehalt von 21% angesaugt. Der Verdichter 14 stellt im übrigen sicher, daß der für die Sauerstofferzeugung benötigte Betriebsdruck der Sauerstofferzeugungsanlage 13 erreicht wird. Aufgrund des Überdrucks durchströmt die zu trennende Raumluft die Sauerstofferzeugungsanlage 13. Nicht dargestellt ist im übrigen, daß der Verdichter 14 auch nach der Sauerstofferzeugungsanlage 13 angeordnet werden kann, wobei die Raumluft infolge des dabei erzeugten Unterdrucks die Sauerstofferzeugungsanlage 13 durchströmt.
Die Sauerstofferzeugung läuft nun wie folgt ab. Nachdem die Raumluft von dem Verdichter 14 angesaugt worden ist, durchströmt sie den Wasserabscheider 15, in dem eine Trocknung der Raumluft stattfindet. Anschließend tritt die Raumluft in den Adsorberbereich 16 ein. Der Adsorberbereich 16 besteht vorzugsweise aus zwei Adsorberzellen 16a, 16b, die mit einem Adsorbens gefüllt sind. Die Adsoφtion erfolgt nach dem Druck- Wechsel- Verfahren oder alternativ nach dem Temperatur- Wechsel- Verfahren. Auf den Verfahrensablauf der adsoφtiven Sau- erstofferzeugung wird an dieser Stelle nicht näher eingegangen, da es sich dabei um Verfahren handelt, die aus dem Stand der Technik seit langem bekannt sind.
In dem Adsorberbereich 16 wird die Raumluft in zwei Gasfraktionen getrennt. Während die eine Gasfraktion, die einen hohen Stickstoffanteil aufweist, über den Stickstoffauslaß 19 abgegeben wird, wird die andere Gasfraktion, die einen hohen Sauerstoffanteil aufweist, über den Gaszuführbereich 12 zum Abgas des Verbrennungsmotors 1 zugegeben. Die Strömungsrichtungen der Raumluft sowie die der beiden Gasfraktionen in der Sauerstofferzeugungsanlage 13 werden durch die Steuerventile 17 bzw. Ein- und Austrittsventile 18 vorgegeben. Die Steuerventile 17 bzw. die Ein- und Austrittsventile 18 sind dabei so angeordnet und/oder werden derart angesteuert, daß der Betrieb der Sauerstofferzeugungsanlage 13 nach dem Druck- Wechsel- Verfahren bzw. dem Temperatur- Wechsel- Verfahren optimal stattfinden kann. Die Druck- Wechsel-Adsoφtion bzw. die Temperatur- Wechsel-Adsoφtion verlaufen nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrensabläufen, wobei sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten alternativen Ausgestaltungsformen dieser Verfahren auch ohne weiteres eingesetzt werden können.. Neben den Steuerventilen 17 bzw. den Ein- und Austrittsventilen 18 werden vorliegend auch der Verdichter 14 und/oder der Wasserabscheider 15 und/oder das Druckminderventil 21 über die Steuer- und/oder Regeleimichtung 20 gesteuert und/oder geregelt. Vorzugsweise werden alle die Sauerstofferzeugung betreffenden Verfahrensschritte durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 20 gesteuert bzw. geregelt.
Nicht dargestellt ist im übrigen, daß die Sauerstofferzeugungsanlage 13 eine Ak- tivierungseimichtung zur Aktivierung des erzeugten sauerstoffangereicherten Gases aufweisen kann.
Nach der Trennung der Raumluft in dem Adsorberbereich 16 strömt das sauerstoffangereicherte Gas in den Sauerstoffspeicher 22. Der Sauerstoffspeicher 22 dient insbesondere zum Ausgleich von Druckschwankungen und zur Regulie- rung des Volumenstroms des sauerstoffangereichertes Gases. Bevor das sauerstoffangereicherte Gas über ein Steuerventil 17 über den Gaszuführbereich 12 dem Abgas zugegeben wird, findet eine Absenkung des Druckniveaus der sauerstoffangereicherten Luft durch den Druckminderer 21 statt. Dabei sollte die Druckminderung vorzugsweise auf einen Restüberdruck des sauerstoffangerei- cherten Gases von 0,1 bar ausgerichtet sein. Der Sauerstoffgehalt des angereicherten Gases liegt vorzugsweise bei 93% mit Restanteilen von 5% Argon und 2% Stickstoff. Wird derart sauerstoffangereichertes Gas dem Abgas zugeführt, wird nach dem Kaltstart die Konvertierungstemperatur des Katalysators wesentlich schneller erreicht, als dies bei einer Sekundärluftzugabe mit Umgebungsluft an der gleichen Stelle der Fall wäre. Darüber hinaus kommt es bei ausreichend hohen Temperaturen des Abgases unter Zufuhr von sauerstoffangereichertem Gas zu einer Nachoxidation der Schadstoffe im Abgas, worauf im Zusammenhang mit den Fig. 3 und 4 noch näher eingegangen wird.
Aus der Fig. 1 ist weiterhin zu erkennen, daß der Gaszuführbereich 12 vorzugsweise einstückig mit dem Krümmer 10 oder dem Zylinder 3 ausgebildet ist. Der Gaszuführbereich 12 weist wenigstens ein separates rohrförmiges Gaszuführteil 23 auf. Auch die Verwendung eines ringförmigen Gaszuführteils in Art eines Düsenrings ist möglich. Durch das Gaszuführteil 23 ist es möglich, das sauer- stoffangereicherte Gas an nahezu jeder beliebigen Stelle innerhalb des Krümmers 10 dem Abgas zuzugeben. Von Vorteil ist es, das Gaszuführteil 23 zwi- schen dem Zylinder 3 und dem Krümmer 10 anzuordnen, da das Abgas unmittelbar nach dem Austritt aus der Brennkammer die höchste Temperatur aufweist und daher besonders hohe Konvertierungsraten der Schadstoffe im Abgas bei der Zufuhr des sauerstoffangereicherten Gases möglich sind. Nicht dargestellt ist im übrigen, daß der Katalysator 11 bzw. der katalytisch wirkende Bereich in unmittelbarer Nähe des Brennraums 2 oder unmittelbar im Anschluß an den Brennraum 2 angeordnet ist. In einem solchen Fall ist es möglich, die hohen Abgastemperaturen für eine Vorwärmung des Katalysators 11 bzw. des katalytisch wirkenden Bereiches auszunutzen.
Die Auslaßöffnung des Gaszuführteils 23 endet gemäß der Fig. 1 in unmittelbarer Nähe des Auslaßventils 9 des Verbrennungsmotors 1. Es kann jedoch auch möglich sein, daß die Auslaßöffnung des Gaszuführteils 23 entweder vor dem Katalysator 11 und/oder dem katalytisch wirkenden Bereich und/oder unmittel- bar im Katalysator 11 und/oder im katalytisch wirkenden Bereich endet. Das Gaszuführteil 23 kann auch mehrere Auslaßöffhungen in verschiedenen Bereichen des Katalysators 11 und/oder des katalytisch wirkenden Bereiches aufweisen. Es kann - wie zuvor erwähnt - beispielsweise als ring- oder rohrformiges Bauteil ausgebildet sein, das mehrere nach innen gerichtete Düsen aufweist. Da- durch ist es möglich, vergleichsweise viel sauerstoffangereichertes Gas über den gesamten Querschnitt genau in den Bereichen dem Abgas zuzugeben, in denen die Schadstoffumsetzung bevorzugt stattfindet. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn über das Gaszuführteil 23 das sauerstoffangereicherte Gas in verschiedenen Konzentrationen und/oder in verschiedenen Volumenströmen dem Kataly- sator 11 und/oder dem katalytisch wirkenden Bereich zuführbar ist. In Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration und/oder des Volumenstroms des sauerstoffsangereicherten Gases erfolgt somit eine optimale Umsetzung der Schadstoffkomponenten in Abhängigkeit von den beteiligten Schadstoff-Abbaureaktionen.
Nicht dargestellt ist, daß die Innenwandung des Krümmers 10 zumindest teilweise eine insbesondere katalytisch wirkende Oberflächenaktivierung zur Verbesserung der Schadstoffverminderung und/oder eine Beschichtung geringer Oberflächenrauhigkeit aufweist. Die Innenwandung des Krümmers 10 kann zum Beispiel durch ein elektrolytisches Verfahren, Flammenspritzverfahren, ein galvanisches, chemisches oder thermisches Verfahren hergestellt werden. In der Fig. 1 ist es nicht dargestellt, daß der Verbrennungsmotor 1 eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des Gases zumindest über Raumtemperatur und/oder eine Heizeinrichtung zur Aufheizung des Krümmers 10 zur Erzielung einer Temperaturerhöhung der Innenwandung des Krümmers 10 aufweisen kann.
Um den Verlust durch Wärmeabstrahlung zu verringern, ist es im übrigen vorstellbar, daß der Krümmer 10 doppelwandig ausgeführt ist und einen isolierenden Luftspalt aufweist. Ebenfalls zur Reduzierung der Strahlungsverluste können der Gaszuführbereich 12 und/oder der Krümmer 10 aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden, insbesondere aus einem wärmeisolierenden Material, wie aus keramischem Werkstoff.
Die Steuer- und/oder Regeleimichtung 20 dient neben der Steuerung und/oder der Regelung der Sauerstofferzeugungsanlage 13 bzw. der Sauerstofferzeugung insbesondere auch zur Steuerung und/oder zur Regelung der Gaszugabe in den Abgas weg. Die Steuer- und/oder Regeleimichtung 20 ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß zumindest bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators 11 sauerstoffangereichertes Gas dem Abgas zugegeben wird. Nicht dargestellt ist, daß die Steuer- und/oder Regeleimichtung 20 auch zur Steuerung und/oder Regelung der Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas in den Ver- brennungsraum vorgesehen sein kann. Die Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas in den Verbrennungsraum bietet sich vor allem während der Kaltinbetrieb- nahmephase und/oder bei erhöhten Leistungsanforderungen des Verbrennungs- motors 1 an. Die Steuerung und/oder die Regelung der Zufuhr sauerstoffangereicherten Gases erfolgt insbesondere in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, insbesondere im niedrigen Drehzahlbereich. Dabei ist es möglich, daß während der Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas die Menge des dem Verbrennungsraum zugeführten Kraftstoffes insbesondere im anteiligen Verhältnis verringert wird.
Der Fig. 1 ist im übrigen zu entnehmen, daß es nicht vorgesehen ist, Kraftstoff und/oder Additive in das Abgas zu dosieren. Dieses schließt jedoch nicht aus, daß es bei einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform auch möglich sein kann, den Schadstoffumsatz durch die Zufuhr von Kraftstoff und/oder Additiven in das Abgas zu steigern. In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1 dargestellt, die der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1 weitgehend entspricht. In Abweichung zur ersten Ausführungsform ist im Abgasweg des Verbrennungsmotors 1 ein siebförmiger und/oder poröser, mit Kanälen versehener, gasdurchlässiger Köφer 24 aus einem wärme- und/oder korrosionsbeständigen Material, insbesondere Metall oder Keramik angeordnet. Dem Köφer 24 zugeordnet ist eine nur schematisch angeordnete Heizeinrichtung 24a, die zum Aufheizen des Köφers 24 in bestimmten Betriebssituationen vorgesehen ist. Die Auslaßöffhung des Gaszuführteils 23 ist vorliegend so angeordnet, daß der Köφer 24 unter Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas in den Köφer 24 und/oder unmittelbar vor dem Köφer 24 derart aufgeheizt wird, daß sich eine Abgasumsetzung auf dem Köφer 24 und/oder im Köφer 24 und/oder in unmittelbarer Nähe zum Köφer 24 ergibt. Die Temperatur des Köφers 24 wird insbesondere in Abhängigkeit von der Schadgasemission im Abgas durch die Steuer- und/oder Regeleimichtung 20 oder eine andere entsprechende Einrichtung gesteuert und/oder geregelt. Bei der Heizeinrichtung 24a kann es sich um eine Laserei ichtung und/oder eine Mikrowelleneinrichtung handeln. Die Heizeinrichtung 24a sollte vorzugsweise radial, tangential, axial oder schräg zum Abgas weg angeordnet und während des Betriebs relativ zum Köφer 24 bewegbar sein.
Im übrigen ist weder in der Fig. 1 noch in der Fig. 2 dargestellt, daß die Steuer- und/oder Regeleimichtung 20 wenigstens einen Meßsensor zur Temperatur- und/oder Schadgas- oder Sauerstoffmessung vor und/oder hinter dem Köφer 24 und/oder vor und/oder hinter einem Katalysator 11 bzw. einem katalytisch wirkenden Bereich aufweisen kann.
Weist der Verbrennungsmotor 1 mehr als einen einen Brennraum 2 aufweisenden Zylinder 3 auf, so ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Krümmer 10 vorzugsweise eine der Anzahl der Zylinder 3 entsprechende Anzahl von Eingangskrümmerabschnitten aufweist, wobei die einzelnen Eingangskrümmerabschnitte jeweils in einen Sammelkrümmerabschnitt übergehen. Erfindungsgemäß weist der Sammelkrümmerabschnitt im Bereich eines Ein- gangskrümmerabschnitts einen geringeren Querschnitt auf als im Bereich des in Strömungsrichtung des Abgases benachbarten Eingangskrümmerabschnittes. Vorteilhaft ist es dabei, daß die Ausgestaltung des Sammelkrümmerabschnitts, insbesondere der Querschnitt des Sammelkrümmerabschnitts an die Abgasvolumenströme der durch die Eingangskrümmerabschnitte zugeführten Abgasmengen strömungstechnisch angepaßt ist.
In Fig. 3 sind Temperatur- und Konzentrationsverläufe der Kohlenwasserstoffe (Emissionsverläufe) in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration und dem Volumenstrom eines in das Abgas eingedüsten Gases dargestellt. Die HC-Mas- senemission nach dem Katalysator bzw. die Temperatur vor dem Katalysator wurde über einen Zeitraum von 5 Sekunden beginnend mit dem Kaltstart des Motors gemessen. In der Fig. 3 sind insgesamt 8 Linienzüge dargestellt, wobei die Kurven 1A, 1B, IC und 1D jeweils HC-Massenemissionswerten nach dem Katalysator entsprechen, während die Kurven 2A, 2B, 2C und 2D den Temperaturverläufen vor dem Katalysator entsprechen. Im einzelnen geben die Kurven folgendes wieder:
1A: HC-Massenemission [g/h] nach dem Katalysator bei Zugabe von 18,5 kg/h Raumluft in das Abgas,
1B: HC-Massenemission [g/h] nach dem Katalysator bei Zufuhr von
5,3 kg/h eines auf 85 % Sauerstoff angereicherten Gases,
IC: HC-Massenemission [g/h] nach dem Katalysator bei Zufuhr von 10 kg/h eines auf 85 % Sauerstoff angereicherten Gases,
1D: HC-Massenemission [g/h] nach dem Katalysator bei Zufuhr von 15 kg/h eines auf 85 % Sauerstoff angereicherten Gases,
2A: Temperatur vor dem Katalysator [°C] bei Zufuhr von 18,5 kg/h Raumluft,
2B: Temperatur vor dem Katalysator [°C] bei Zufuhr von 5,3 kg/h eines auf 85 % Sauerstoff angereicherten Gases,
2C: Temperatur vor dem Katalysator [°C] bei Zufuhr von 10 kg/h eines auf 85 % Sauerstoff angereicherten Gases, 2D: Temperatur vor dem Katalysator [°C] bei Zufuhr von 15 kg/h eines auf 85 % Sauerstoff angereicherten Gases.
Die höchsten HC-Massenemissionen nach dem Katalysator konnten bei Zugabe von Raumluft zum Abgas gemessen werden (Linienzug 1A). Bei Zufuhr eines sauerstoffreichen Gases sinkt die HC-Massenemission nach dem Katalysator drastisch ab (Linienzüge 1B, IC und 1D), wobei die geringsten HC-Massenemissionen bei Zugabe eines auf 85 % Sauerstoff angereicherten Gases für den größten Volumenstrom erreicht wurden (Linienzug 1D).
Die Temperatur vor dem Katalysator ist ebenfalls von der Zusammensetzung und dem Volumenstrom des in das Abgas eingedüsten Gases abhängig. Aus Fig. 3 geht hervor, daß die Temperatur vor dem Katalysator bei Zugabe von Raumluft in das Abgas innerhalb der ersten 10 Betriebssekunden des Motors später ansteigt und unterhalb der Temperaturen liegt, die vor dem Katalysator bei Zugabe unterschiedlicher Volumenströme eines auf 85 % Sauerstoff angereicherten Gases erreicht werden. Die Temperatur vor dem Katalysator steigt dabei um so stärker und um so schneller an, je höher der Volumenstrom des das Abgas zugegebenen angereicherten Gases ist. Bei längerer Betriebszeit des Motors nähern die Temperaturverlaufskurven, die bei Zugabe eines mit Sauerstoff angereicherten Gases für unterschiedliche Volumenströme gemessen wurden, einander an. Nach 2 Betriebssekunden des Motors liegt die Temperatur vor dem Katalysator bei Zugabe von Raumluft in das Abgas stets unterhalb der Temperatur vor dem Katalysator bei Zugabe eines auf 85% Sauerstoff angereicherten Gases.
In der Fig. 4 sind die Temperatur- und Konzentrationsverläufe der Kohlenwasserstoffe in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration und dem Volumenstrom eines in das Abgas eingedüsten Gases dargestellt. Die Temperatur- und Konzentrationsverläufe wurden über einen Zeitraum von 50 Sekunden beginnend mit dem Kaltstart des Motors gemessen. Die Bezeichnung der Kurven entspricht der Bezeichnung aus Fig. 3.
Auffällig ist hierbei, daß der Konzentrationsverlauf der Kohlenwasserstoffe mit wachsender Betriebsdauer des Motors näherungsweise unabhängig von dem zugegebenen Volumenstrom und dem Sauerstoffgehalt des zugegebenen Gases ist. So liegen nach ca. 20 Sekunden die gemessenen HC-Masse emissionen nach dem Katalysator bei Zugabe von Raumluft in das Abgas in ähnlicher Höhe wie bei Zugabe unterschiedlicher Volumenströme eines auf 85% Sauerstoff angereicherten Gases.
In der Fig. 5 ist ein Verfahrensfließbild einer möglichen Ausführungsform zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1 dargestellt. Dem Verbrennungsmotor 1 wird ein Brennstoffstrom 25 zugeführt, bei dem es sich gemäß der Fig. 5 um Benzin handelt. Weiterhin wird dem Verbrennungsmotor 1 an den mit a, b, c gekennzeichneten Stellen ein sauerstoffangereichertes Verbrennungsgasgemisch 26 zugeführt. Erfindungsgemäß ist es nun möglich, daß das Verbrennungsgasgemisch 26 dem Brennstόffstrom 25 vor Eintritt in den Verbrennungsmotor 1 zugegeben wird (a) oder, daß das Verbrennungsgasgemisch 26 dem Verbrennungsmotor 1 unmittelbar, d. h. in eine nicht im einzelnen dargestellte Brennkammer des Verbrennungsmotors 1 zugegeben wird (b). Darüber hinaus ist es auch möglich, daß das Verbrennungsgasgemisch 26 erst nach der erfolgten Verbrennung des Brennstoffs in das Abgas eingeleitet wird (c).
Das Verbrennungsgasgemisch 26 setzt sich aus dem Luftstrom 27 und dem Sau- erstoffstrom 28 zusammen, wobei es sich bei dem Sauerstoffstrom 28 um sauerstoffangereichertes Gas mit einer bevorzugten Sauerstoffkonzentration von 93% 02, 5% Ar und 2% N2 handeln kann. Der Sauerstoffstrom 28 kann gemäß der Fig. 5 dem Gasspeicher 29 entnommen werden, wobei es selbstverständlich auch möglich ist, daß ein sauerstoffangereichertes Gas durch eine Druck- Wechsel- Ad- soφtionseinrichtung oder durch eine Membrantrenneinrichtung bereitgestellt wird. Die Sauerstoffkonzentration wird im übrigen von dem eingesetzten Verfahren zur Sauerstoffa eicherung bestimmt.
Zur Verringerung der Schadstoffkonzentration eines Abgasstroms 30 wird der Abgasstrom 30 einer Mehrzahl von Katalysatoren 31, 32, 33 zugeführt. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, daß nach einem ersten Oxidationskatalysator 31 und einem daran anschließendem Reduktionskatalysator 32 ein weiterer Oxidationskatalysator 33 vorgesehen ist. Vor dem Eintritt in den weiteren Oxidationskatalysator 33 wird dem Abgasstrom 30 vorzugsweise Sauerstoff über den Sau- erstoffstrom 28 zugeführt. Dadurch kann der Umsatz im weiteren Oxidationskatalysator 33 deutlich gesteigert werden. Grundsätzlich ist es natürlich auch mög- lich, daß an der Stelle des Sauerstoffstroms 28 dem weiteren Oxidationskatalysator 33 ein Teilstrom des Verbrennungsgases 26 zugeführt wird. Ebenso ist es möglich, daß dem Abgasstrom 30 vor Eintritt in den ersten Oxidationskatalysator 31 bereits ein sauerstoffangereichertes Gas zur Steigerung des Umsatzes zugege- ben wird.
In der Fig. 6 ist ein schematisches Fließbild einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines mit Diesel betriebenen Verbrennungsmotors 1 dargestellt. Dem Verbrennungsmotor 1 wird ebenfalls ein Brennstoffstrom 25 zugeführt, bei dem es sich gemäß der Fig. 6 beispielsweise um Dieselkraftstoff handeln kann. Im übrigen entspricht der Verfahrensablauf dem in Fig. 5 dargestellten Verfahren zum Betrieb eines Benzinmotors. Die einzige Ausnahme stellt der Rußfilter 34 dar, der anstelle des Oxidationskatalysa- tors 33 vorgesehen ist.
Zur Absenkung der Schadstoffkonzentration im Abgasstrom 30 ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß dem Abgasstrom 30 vor Eintritt in den Rußfüter 34 Sauerstoff über den Sauerstoffstrom 28 zugeführt wird. Auch hier ist es grundsätzlich möglich, daß anstelle des Sauerstoffstroms 28 dem Abgasstrom 30 ein Teil- ström des Verbrennungsgases 26 zugeführt wird. Der erhöhte Sauerstoffgehalt im Abgas bewirkt eine oxidaktive Umsetzung der im Abgas enthaltenen Rußpartikel im Rußfilter.

Claims

Patentansprüche:
1. Verbrennungsmotor (1) mit wenigstens einem einen Breimraum (2) aufweisenden Zylinder (3), mit einem Krümmer (10) zur Abgasführung und insbe- sondere einem Katalysator (11) und/oder insbesondere einem katalytisch wirkenden Bereich, wobei ein Gaszuführbereich (12) insbesondere zwischen dem Zylinder (3) und dem Katalysator (11) und/oder dem katalytisch wirkenden Bereich vorgesehen ist, über den ein sauerstoffhaltiges Gas dem Abgas zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Gaszuführbereich (12) ein Gasspei- eher (29) und/oder eine Sauerstofferzeugungsanlage (13) verbunden ist und daß durch den Gasspeicher (29) und/oder die Sauerstofferzeugungsanlage (13) ein Gas mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 22% und 100%) dem Abgas über den Gaszuführbereich (12) zuführbar ist.
2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffspeicher als Sauerstoff-Druckflasche ausgebildet ist.
3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstofferzeugungsanlage (13) als Adsoφtionsanlage und/oder als Membran- trennanlage ausgebildet ist, wobei in der Membrantrennanlage vorzugsweise eine Polymermembran einsetztbar ist und wobei in die Polymermembran vorzugsweise Zeolithpartikel eingebettet sind.
4. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, daß der Gaszuführbereich (12) einstückig mit dem Krümmer (10) oder dem Zylinder (3) ausgebildet ist.
5. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaszuführbereich (12) wenigstens ein separates, rohr- oder ringförmiges Gaszuführteil (23) aufweist.
6. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaszuführteil (23) zwischen dem Zylinder (3) und dem Krümmer (10) angeordnet ist.
7. Verbrennungsmotor nach, einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (11) und/oder der katalytisch wirkende Bereich in unmittelbarer Nähe des Brennraums (2) oder unmittelbar an dem Brennraum (2) benachbart angeordnet ist.
8. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffhung des Gaszuführteils (23) für ein sauerstoffangereichertes Gas entweder vor dem Katalysator (11) und/oder dem katalytisch wirkenden Bereich und/oder unmittelbar im Katalysator (11) und/oder im kata- lytisch wirkenden Bereich endet.
9. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaszuführteil (23) mehrere Auslaßöff ungen in verschiedenen Bereichen des Katalysators (11) und/oder des katalytisch wirkenden Be- reiches aufweist.
10. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über das Gaszuführteil (23) ein sauerstoffangereichertes Gas in verschiedener Konzentration und/oder verschiedenen Volumenströmen dem Katalysator (11) und/oder dem katalytisch wirkenden Bereich zuführbar ist.
11. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung des Krümmers (10) zumindest teilweise eine insbesondere katalytisch wirkende Oberflächenaktivierung zur Verbesse- rung der Schadstoffverminderung und/oder eine Beschichtung geringer Oberflä- chenrauhigkeit insbesondere durch ein elektrolytisches Verfahren, Flammspritz- verfahren, ein galvanisches-, chemisches- oder thermisches Verfahren zur Ober- flächenerstellung aufweist.
12. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zugegebene Sauerstoff aktiviert ist.
13. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des Gases zumindest über Raumtemperatur vorgesehen ist.
14. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeimichtung zur Aufheizung des Krümmers (10) zur Erzielung einer Temperaturerhöhung der Innenwandung des Krümmers (10) vorgesehen ist.
15. Verbrennungsmotor nach einem der. vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaszuführbereich (12) und/oder der Krümmer (10) aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt wird, insbesondere aus einem wärmeisolierenden Material, insbesondere aus keramischem Werk- stoff besteht.
16. Verbrennungsmotor nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmer (10) doppelwandig ausgeführt ist und einen Luftspalt aufweist.
17. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) zur Steuerung und oder Regelung der Gaszugabe in den Abgasweg vorgesehen ist.
18. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) derart ausgebildet ist, daß zumindest bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators (11) sauerstoffangereichertes Gas zugegeben wird.
19. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) zur Steuerung und oder Regelung der Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas in den - Breimraum (2) vorgesehen ist.
20. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und oder Regeleinrichtung (20) derart ausgebildet ist, daß sauerstoffangereichertes Gas während der Kaltinbetriebnahmephase und/oder bei erhöhter Leistungsanforderung des Verbrennungsmotors (1), insbesondere in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, vorzugsweise im niedrigen Drehzahlbereich und weiter vorzugsweise im unteren Drehzahldrittel zugegeben wird.
21. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) derart ausgebildet ist, daß während der Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas die Leerlaufdrehzahl des Motors gesenkt wird.
22. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) derart ausgebildet ist, daß während der Zugabe von sauerstoffangereichertem Gas die Menge des dem Verbrennungsraum (2) zugeführten Kraftstoffes insbesondere im an- teiligen Verhältnis verringert wird.
23. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) derart ausgebildet ist, daß sauerstoffangereichertes Gas während eines Stop-and-Go-Betriebes des Verbrennungsmotors (1) beim Neustart des Verbrennungsmotors (1) zugegeben wird.
24. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß kein Kraftstoff und/oder keine Additive in das Abgas do- siert werden.
25. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drucklufterzeugung wenigstens ein Verdichter (14) bzw. ein Kompressor vorgesehen ist und daß, vorzugsweise, der Verdichter (14) mit rotierenden Teilen des Verbrennungsmotors (1) gekoppelt ist, wobei der Verdichter (14) durch die rotierenden Teile angetrieben wird.
26. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor über einen Hydraulikmotor angetrieben wird, wobei der Verbrennungsmotor (1) zur Energieversorgung dient.
27. Verfahren zur Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abgas nach der Verbrennung ein sauerstoffhaltiges Gas mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 22% und 100% zugegeben wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus einer Sauerstoff-Druckflasche oder einer Adsoφtionsanlage oder einer Membrantrennanlage zugeführt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 27 und 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas zumindest während der Kaltinbetriebnahmephase des Verbrennungsmotors (1) aufgeheizt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung des Krümmers (10) zumindest während der Kaltinbetriebnahmephase des Verbrennungsmotors (1) aufgeheizt wird.
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffangereicherte Gas hinter dem Breimraum (2), vorzugsweise unmittelbar nach den Auslaßventilen (9) des Zylinders (3) zugegeben wird.
32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe des sauerstoffangereicherten Gases punkt- oder ringförmig erfolgt und/oder daß die Zuführeinrichtung tangential, axial, radial oder schräg ist.
33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sauerstoffangereichertes Gas auch in den Brennraum (2) während und/oder vor der Verbrennung zugegeben wird und daß, vorzugsweise, das sauerstoffangereichertes Gas im Brennraum (2) in Zonen kalter Verbrennung zugegeben wird.
34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Zugabe des sauerstoffangereicherten Gases in das Abgas und/oder in den Brennraum (2) die Menge des dem Brennraum (2) zugeführten Kraftstoffes verringert wird.
34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem vorzugsweise einem ersten Oxidationskatalysator (31) nachgeschalteten Reduktionskatalysator (32) wenigstens ein weiterer Oxidationskatalysator (33) und/oder ein Rußfilter (34) zur Abgasreinigung vorgesehen wird, wobei, vorzugsweise, sauerstoffangereichertes Gas einem Abgasstrom (30) vor dessen Eintritt in den weiteren Oxidationskatalysator (33) und/oder in den Rußfilter (34) zugegeben wird.
34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffangereicherte Gas unmittelbar in den weiteren Oxidationskatalysator (33) und/oder den Rußfilter (34) eingeleitet wird.
35. Verbrennungsmotor (1) mit wenigstens einem einen Brennraum (2) aufweisenden Zylinder (3), und einem sich an den Zylinder (3) anschließenden Abgasweg, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasweg des Verbrennungsmotors (1) ein siebförmiger und/oder poröser mit Kanälen versehener, gasdurchlässiger Köφer (24) aus einem wärme- und/oder korrosionsbeständigen Material, insbesondere Metall oder Keramik, angeordnet ist und daß dem Köφer (24) eine Heizei ichtung (24a) zugeordnet ist, durch die zumindest während der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors (1) der Köφer (24) derart aufgeheizt wird, daß sich eine Abgasumsetzung auf dem Köφer (24) und/oder im Köφer (24) und/oder in unmittelbarer Nähe zum Köφer (24) ergibt.
36. Verbrennungsmotor nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor (1) derart ausgebildet ist, daß sauerstoffangereichertes Gas in den Köφer (24) und/oder unmittelbar vor dem Köφer (24) zugegeben wird.
37. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizeinrichtung eine Lasereinrichtung oder eine Mikrowelleneinrichtung vorgesehen ist und daß, vorzugsweise, die Heizeinrichtung radial, tangential, axial oder schräg zum Abgasweg angeordnet ist.
38. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Köφer (24) und/oder die Lasereinrichtung und/oder die Mikrowelleneinrichtung während des Betriebes relativ zueinander bewegbar sind.
39. Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) zur Steuerung und/oder Regelung der Temperatur des Köφers (24) in Abhängigkeit der Schadgasemissionen im Abgas vorgesehen ist.
40. Verbrennungsmotor nach einem der. vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) wenigstens einen Messsensor vor und/oder hinter dem Köφer (24) und oder vor und/oder hinter einem Katalysator (11) bzw. einem katalytisch wirkenden Bereich auf- weist.
41. Verbrennungsmotor (1) mit wenigstens zwei jeweils einen Breimraum (2) aufweisenden Zylindern (3), mit wenigstens einem Krümmer (10) zur Abgasführung und wenigstens einem Katalysator (11) bzw. einem katalytisch wir- kenden Bereich, wobei der Krümmer (10) eine der Anzahl der Zylinder (3) entsprechende Anzahl von Eingangskrümmerabschnitten aufweist und wobei die einzelnen Eingangskrümmerabschnitte jeweils in einen Sammelkrümmerabschnitt übergehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelkrümmerabschnitt im Bereich eines Eingangskrümmerabschnitts einen geringe- ren Querschnitt aufweist als im Bereich des in Strömungsrichtung des Abgases benachbarten Eingangskrümmerabschnitts.
42. Verbrennungsmotor nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Sammelkrümmerabschnitts an die Abgasvolumenströme der durch die Eingangskriimmerabschnitte zugeführten Abgasmengen strömungstechnisch angepasst ist.
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