DD141337A5

DD141337A5 - Brennkraftmaschine,die mit kohlenwasserstoff-benzin betreibbar ist

Info

Publication number: DD141337A5
Application number: DD79210479A
Authority: DD
Inventors: John J Mooney
Original assignee: Engelhard Min & Chem
Priority date: 1978-01-16
Filing date: 1979-01-15
Publication date: 1980-04-23
Also published as: JPS54102422A; PL212759A1; GB2012356A; ES476756A1; BR7900218A; IT7947608A0; SE7900345L; AU4340379A; DE2901394A1; FR2414625A1; NL7900302A; IT1114325B; FI790069A; BE873331A; AR226415A1

Description

Brennkraftmaschine, die mit Kohlenwasserstoff-Benzin betreibbar ist

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem verbesserten Emissionsregel·" bzw. —kontrollsystem, wobei der Treibstoff große Mengenanteile an teilweise oxygenierten Komponenten, wie z.B„ Alkoholen mit niedrigem Molekulargewicht, Äther oder Ketonen, die in der Regel 1 bis 4 Kohlenstoff atome pro Molekül aufweisen, enthält» Die Erfindung betrifft insbesondere ein System, mit dessen Hilfe es möglich ist·, ohne eine manuelle Einstellung an dem System eine optimale' Verbrennung in der Hähe des stö'chiometrischen Verhältnisses zu erzielen bei Verwendung von Benzin mit großen Mengenanteilen an teilweise oxygenierten Kohlenwasserstofffraktionen«

Charakteristik 'der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, ein Regelsystem mit geschlossenem Kreislauf zu verwenden, bei dem ein Sauerstoffsensor, der- in den Abgasen angeordnet ist_f ein Signal abgibt, das anzeigt, ob die Kombination zu reich oder zu arm an Treibstoff (Kraftstoff) ist« Dieses Sensorsignal steuert die Einstellung eines Luft/

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Treibstoff-Verhältnis-Regelmechanismus in Richtung auf eine Anreicherung oder Verarmung des Treibstoffes, um so ein Luft/Treibstoff-Verhältnis aufrechtzuerhalten, das nahe bei dem stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnis liegt· Diese Regelsysteme mit geschlossenem Kreislauf ergeben bekanntlich eine automatische Kompensation für Veränderungen, die eine Folge des dynamischen Betriebs (Fahrens), als Folge von Änderungen der Luftdichte und sogar als Folge von geringen Änderungen des Treibstoffgehaltes zwischen Winterkraftstoff und Sommerkraftstoff auftreten© Es ist daher bekannt, daß dieses Regelsystem auf begrenzte Betriebsänderungen ansprechen kann zur Erzielung einer optimalen Verbrennung. Unter einer optimalen Verbrennung ist allgemein eine Verbrennung nahe bei einem Verhältnis zu verstehen, bei dem genügend Sauerstoff vorhanden ist, so daß dann, wenn die Verbrennung vollständig ist, der gesamte Treibstoff vollständig verbrannt wird zu Wasser und Kohlendioxid und bei dem kein Sauerstoff zurückbleibt* Dieses Verhältnis wird alsstöchiometrisches Verhältnis bezeichnet·

Der normalerweise in Brennkraftmaschinen verwendete Treibstoff (Kraftstoff) besteht im wesentlichen aus Kohlenwasserstoffen als Treibstoffkomponenten_β Entsprechend der üblichen Terminologie bezieht sich der hier verwendete Ausdruck "Kohlenwasserstoff" auf eine Verbindung, die nur Wasserstoff und Kohlenstoff enthält· Der hier verwendete Ausdruck "Kohlenwasserstoff-Benzin" bezieht sich auf einen Treibstoff, dessen Treibstoffkomponenten im wesentlichen nur aus Kohlenwasserstoffen bestehen* Bei diesen .Kohlenwasserstoffen handelt es sich normalerweise um die Alkan-, Alken- und cyclischen Kohlenwasserstoffe© Kohlenwasserstoff-Benzin wird normalerweise aus fossilen Treibstoffen, wie Erdöl,' gewonnen»

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In einigen Gebieten der Erde, in denen der Vorrat an Kohlenwasserstoff-Benzin begrenzt oder dieses teuer ist, stellt die Zugabe von wesentlichen Anteilen von leichter zugänglichen und billigeren Komponenten eine attraktive Möglichkeit zum Ersatz eines wesentlichen Anteils der Kohlenwasserstoffkomponenten darο Bei diesen anderen Komponenten, wie z,B· Äthanol, Methanol, Propanol, Isopropylalkohol, Diäthyläther und Aceton, handelt es sich um Kohlenwasserstoffderivate insofern, als diese Komponenten wie das zugrunde liegende Alkoholmolekül Sauerstoff als Teil ihrer molekularen Grundstruktur enthalten. Diese Komponenten werden daher allgemein als teilweise oxygenierte (sauerstoffhaltige) Kohlenwasserstoffkomponenten bezeichnet (nachfolgend stets als "teilweise ozygenierte Kohlenwasserstoffkomponenten" bezeichnet)·

Zur Ausnutzung von Treibstoffen bzw. Kraftstoffen (nachfolgend stets als "Treibstoffe" bezeichnet), die große Mengenanteile an teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffen enthalten, muß das Motorsystem so eingestellt werden, daß es sich an die Änderung der Eigenschaften anpaßt. Die erforderliche Hauptänderung besteht darin, das Verhältnis zwischen Treibstoff und Luft, das dem Motor durch das Kraftstoffzuführungssystem zugeführt wird, zu ändern«

Pur eine wirksame Emissionskontrolle wäre es vorteilhaft, das Treibstoff/Luft-Verhältnis auf im wesentlichen das stöchiometrische Verhältnis einzustellen, so daß eine Benzinmischung aus Benzinkohlenwasserstoffen und teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffen praktisch vollständig verbrannt wird© Unter diesen stöchiometrischen Bedingungen könnte ein Drei~Wege-Konversionskatalysator dazu verwendet werden, die gasförmigen Verunreinigungen aus den Abgasen, d_elu H₂, CO

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und NO_, zu eliminieren. Der für die vollständige Verbrennung eines Kohlenwasserstoffs erforderliche Sauerstoffgehalt ist jedoch wesentlich verschieden von dem Sauerstoffgehalt, der für die vollständige Verbrennung einer teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffkomponente erforderlich ist, und wenn der Mengenanteil an teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffen erhöht wird, ist weniger Sauerstoff für die vollständige Verbrennung der Treibstoffmischung erforderlich·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine, die mit Kohlenwasserstoff-Benzin betreibbar ist, so auszubilden, daß eine geringe Umweltbelastung und möglichst vollständige Ausnutzung der Energie des Kraftstoffes erreichbar sind*

Darle^urig des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine, die mit Kohlenwasserstoff-Benzin betreibbar ist, zu schaffen, bei der ein geschlossenes Kreislaufregelsystem das Luft/Treibstoff-Verhältnis in der Weise kontrolliert bzw* regelt, daß das Verhältnis auf einen Wert gebracht wird, bei dem eine vollständige oder nahezu vollständige Verbrennung sowohl· der Kohlenwasserstoffkomponenten als auch der teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffkomponenten auftritt«

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine, in der Treibstoff mit Kohlenwasserstoff-Benzin und einem wesentlichen Anteil an teilweise oxygenierten (sauerstoffhaltigen) Kohlenwasserstoffen, v/ie Äthanol oder Methanol, verwendet wird« Das System umfaßt eine geschlossene Kreislauf-Kontrolle für die Aufrechterhaltung einer Verbrennung unter stöchiometrischen oder nahezu stöchiometrischen Bedingungen· Die geschlossene Kreislaufkontrolle umfaßt einen Sauerstoffsensor in dem Auspuff der Verbrennungskammer, der ein Zustandssignal abgibt, das anzeigt, ob die Verbrennung unterhalb oder oberhalb des stö'ehiometrisehen Verhältnisses stattfindet* Das Zustandssignal wird von einem logischen Regelkreis oder einem Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regelkreis verarbeitet zur Erzielung eines Kontrollsignals, das einen Luft/Treibstoff-Verhältnis-Kontrollmechanismus bzw« -Regelmechanismus in einer solchen Richtung einstellt, daß er das Luft/Treibstoff«Verhältnis innerhalb eines sehr engen Bereiches um das stöchiometrische Verhältnis herum halte Um den Pollutionsausstoß aus dieser Brennkraftmaschine minimal zu halten, wird ein Drei-Wege-Katalysator .verwendet und die Wirksamkeit des Katalysators wird durch die geschlossene Kreislaufkontrolle optimal gestaltet«

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird eine Quelle für Treibstoff, der Kohlenwasserstoff-Benzin und einen wesentlichen Anteil an teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffen, wie Äthanol und Methanol, enthält, mit Luft in einem Verhältnis kombiniert, das bestimmt wird durch einen Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regelmechanismus, um die Mischung so nahe wie möglich auf das

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stöchiometrische Verhältnis einzustellen· Die Mischung wird in eine Verbrennungskammer eingeführt· Ein Sauerstoffsensor in dem Auspuff der Verbrennungskammer liefert ein Zustandssignal, welches anzeigt, ob die Auspuffgasmischung unterhalb des stö'chiometrischen Verhältnisses (reich an Treibstoff) oder oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses (arm an Treibstoff) liegt· Dieses Zustandssignal wird auf einen Luft/ Treibstoff-Verhältnis-Regelkreis oder einen logischen Schaltkreis aufgegeben,der auf das Zustandssignal anspricht unter Abgabe eines geeigneten Kontrollsignals bzw· Regelsignals für den Luft/Treibstoff-Verhältnis-RegeImechanismus· Das Steuersignal (Regelsignal) bewirkt, daß dieser Mechanismus das Luft/Treibstoff-Verhältnis in Richtung auf das stöchiometrische Verhältnis einstellt· Auf diese Weise kann ein einen wesentliehen Mengenanteil an teilweise oxygenierten Kohlenwasserstoffen enthaltender Treibstoff verwendet werden, während gleichzeitig die Verbrennung bei dem stöchiometrischen Verhältnis oder sehr nahe bei dem stöchiometrischen Verhältnis gehalten wird. Infolgedessen kann ein Drei-V/ege-Katalysator verwendet werden, um den Pollutionsgehalt der Abgase aus dem Inn en Verbrennungssystem auf v/irksame Weise minimal zu halten«,

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist im einzelnen dadurch gekennzeichnet, daß das Verbrennungssystem umfaßt

- eine Verbrennungskammer und einen Auspuff,

- eine Einrichtung zum Mischen von Luft mit dem Treibstoff, der enthält oder besteht aus Kohlenwasserstoff-Benzin und einem wesentlichen Anteil mindestens eines teilweise oxygenierten (säuerstoffhaltigen) Kohlenwasserstoffs, die getrennte Zufiihrungsquellen für Luft und Treibstoff umfaßt,

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- eine Luft/Treibstoff-Verhältnis-Rege!einrichtung, die mit mindestens einer der Zuführungsquellen gekoppelt ist, zur Regelung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses für die Verbrennung und

- einen Sauerstoffsensor, der mit dem Auspuff des Verbrennungssystems gekoppelt ist und auf das stöchiometrische Verhältnis in dem Auspuffgas anspricht unter Abgabe eines Regelsignals, wobei die Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung anspricht, welches die Luft/Treibstoff-Verhältnis-Rege !einrichtung so einstellt, daß ein vorher festgelegtes durchschnittliches Luft/Treibstoff-Verhältnis erzielbar ist, wodurch ein im wesentlichen durchschnittliches stöchiometrisches Luft/Treibstoff-Verhältnis für die Verbrennung des Treibstoffes, der einen wesentlichen Anteil an teilweise ozygenierten (säuerstoffhaltigen) Kohlenwasserstoff komponenten enthält, automatisch eingestellt ist.

In v/eiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen daß das Verbrennungssystem außerdem aufweist einen Oxidationsund Reduktionskatalysator, der mit dem Auspuff des Verbren« nungssystems gekoppelt ist, wobei der Betrieb dieses Systems einen normalen Zyklus für den Auspuff ergibt, der schnell innerhalb einer vorher festgelegten begrenzten Abweichung von dem stöchiometrischen Verhältnis oszillierte

Gemäß*einem letzten Merkmal ist es zweckmäßig, daß die Abweichung von dem stöchiometrischen Verhältnis zwischen ± 2 % liegt·

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Ausführungsbe ispiel

, . γ

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die.beiliegenden Zeichnungen näher erläutert· Dabei zeigen:

Pig« 1: ein elektrisches und mechanisches Blockdiagramm, das ein System darstellt, auf das die Erfindung angewendet wird; und

Pig· 2: eine graphische Darstellung des stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnisses als Punktion des Gehaltes an Äthanol in Prozent in einer Äthanol/ Benzin-Mschung«

Wie in der Pig· 1 der beiliegenden Zeichnung dargestellt, umfaßt die Brennkraftmaschine eine Verbrennungskammer 10, die ein Luft/Treibstoff-Gemisch verbrennt und dadurch ein Auspuffgas erzeugt, das schematisch in einem Auspuff 12 dargestellt ist· In dem Auspuff 12 ist ein bekannter Typ eines Sauerstoffsensors 14 angeordnet, der ein elektrisches Signal E1 mit einem Wert ergibt, der eine Punktion der Stöchiome» trie des Auspuffgases ist· Das abgegebene elektrische Signal E1 des Säuerstoffsensors 14 wird auf einen Luft/Treib» stoff-Verhältnis-Regelkreis 22 aufgegeben· Dieser Luft/Treibst off- Verhältnis-Regelkreis 22 wird hier nicht näher beschrieben, weil es viele bekannte Regelkreise bzw« Schal« tungen gibt, die diese Punktion erfüllen· Es können auch andere Eingangssignale für den Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regelkreis 22 verwendet werden, so daß der Sauerstoffsensor 14 ein Signal E1 abgibt, das nur einen der Parameter repräsentiert, die ein Regelsignal (Kontrollsignal) E2 aus dem Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regelkreis 22 beeinflussen können, .

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Eine Zuführungsquelle 16 für Luft und eine Zuführungsquelle 18 für Treibstoff (Kraftstoff) liefern die Luft bzw· den Treibstoff für die Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung 20 bzwo den Kontrollmechanismus. Bei dem aus der Zuführungsquelle 18 stammenden Treibstoff handelt es sich um. einen solchen, der einen wesentlichen Anteil an teilweise oxygenierten Komponenten enthält« Wie in Verbindung mit der Pig, 2 weiter unten näher erörtert, ist hier unter einem wesentlichen Anteil einer teilweise oxygenierten Komponente eine Menge zu verstehen, die ausreicht, um einen wesentlichen Effekt auf die Stöchiometrie des Systems auszuüben«»

Die Luft und der Treibstoff aus den Zuführungsquellen 16; werden in einem durch die Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung 20 bzw. den Kontrollmechanismus vorgegebenen Mengenverhältnis miteinander gemischt,- so daß die Luft und der Treibstoff durch die Zuführungsleitung 21 in die Verbrennungskammer 10 in einem Verhältnis eingeführt werden, das durch die Einstellung der Luft/Treibstoff«Verhältnis-Regeleinrichtung 20 bzw» des Kontrollmechanismus festgelegt wird* Die Einstellung der Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regel« einrichtung 20 bzw« des Kontrollmechanismus wird mindestens teilweise bestimmt durch das Regelsignal.E2 aus dem Luft/ Treibstoff -Verhältnis-Regelkreis 22,,

Der. Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regelkreis 22 ist so angeordnet, daß dann, wenn das Signal, das ein Output-Signal ist, E1 des Sauerstoffsensors 14 eine Säuerstoffmenge anzeigt, die unterhalb derjenigen liegt, die bei der stöchiometrischen Verbrennung auftritt, das Regelsignal E2 so eingestellt wird, daß ein magereres Luft/Treibstoff-Verhältnis erzeugt wirä'(d_ehu die Treibstoffmenge in bezug auf die

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Luftmenge verringert wird) , um eine etwa stöchiometrische Verbrennung herbeizuführen. In entsprechender Weise wird dann, wenn das Signal E1 des Sauerstoffsensors 14 anzeigt, daß die Sauerstoffmenge größer ist als diejenige, die bei der stöchiometrischen Verbrennung auftritt, das Regelsignal E2 so verschoben, daß es die Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung 20 bzw· den Kontrollmechanismus so einstellt, daß die Treibstoffmenge in bezug auf die Luftmenge erhöht wird und so das Verhältnis wieder auf das stöchiometrische Verhältnis gebracht wird»

Auf diese Weise entsteht eine Anordnung vom geschlossenen Kreislauf-Servo-Regel-Typ, die das.Verhältnis nahe bei dem stöchiometrischen Verhältnis hält« Der normale Betrieb eines beliebigen Fahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine ist jedoch so, daß das Verhältnis um das stöchiometrische Verhältnis herum variiert. Wenn nun ein Drei-Wege-Katalysator verwendet wird, um die Auspuffpollution minimal zu halten, so tritt eine Schwankung um das stöchiometrische Verhältnis herum auf, bei der der Betrieb vorzugsweise kontinuierlich oberhalb oder kontinuierlich unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses liegt, weil der Katalysator sowohl für den Betrieb oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses als auch für den Betrieb unterhalb des stöchiometrischen Verhältnisses bestimmt ist» .

Die derzeitigen weltweiten Forderungen nach einer neuen Energiequelle haben das Interesse an Alkohol als Streckmittel zum Ersatz eines bestimmten Mengenanteils von Kohlenwasserstoff-Benzin als Automobiltreibstoff bzw» -kraftstoff erneuerte Es besteht ein bestimmtes Interesse an durch Fermentation gewonnenem Äthanol oder an aus Kohle gewonnenem Methanol als Mischungsbestandteile in einem Motortrcibstoff©

Die begrenzte derzeitige Verwendung von Alkohol/Benzin-Gemischen erfolgt im allgemeinen in der Weise, daß man sich, nicht bemüht, den signifikanten Unterschied in bezug auf die stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnisse der Treibst off komponenten zu kompensieren. Unter dem Wort "Benzin" ist hier "Kohlenwasserstoff-Benzin, wie oben definiert, zu verstehen. So weist beispielsweise handelsübliches bleifreies Kohlenwasserstoff-Benzin ein stöchiometrisches Luft/ Treibstoff-Verhältnis von etwa 1,46 auf, während Äthanol ein stöchiometrisches Luft/Treibstoff-Verhältnis von 9>0 aufweist· Wie aus der Fig«, 2 zu ersehen, variiert das stöchiometrische Luft/Treibstoff-Verhältnis einer Äthanol/Benzin-Mischung linear zwischen diesen Werten« Darüber hinaus folgt ein konventioneller Benzinvergaser oder ein konventionelles Benzineinspritzungssystem einem Weg, der ähnlich der charakteristischen Treibstoffdosierungslinie gemäß Fig* 2 ist, wenn der Prozentsatz an Äthanol von 0 % (100 % Benzin) in einer Äthanol/Benzin-Mischung erhöht wird» Die Folge davon ist, daß konventionelle Vergaser, die für die Verwendung in Verbindung mit normalem Benzin hergestellt werden, in der Uähe eines stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnisses von 14,6. ein Luft/Treibstoff-Verhältnis von vielleicht 14*3 ergeben (vgl» die Pig. 1), wenn sie mit einer Mischung aus 30 % Äthanol und 10 % Benzin betrieben werden« Ein Luft/ Treibstoff-Verhältnis von 14»3 ist wesentlich ärmer an Treibstoff als das stöchiometrische Luft/Treibstoff-Verhältnis von 12,8 für 30 % Äthanol und der Vergaser muß daher eingestellt werden, um den Treibstoff wirksam auszunutzen« Umgekehrt ist dann, wenn ein Vergaser auf die Iahe des stöchiometrischen Punktes für ein Äthanol/Benzin-Gemisch mit 30 % Äthanol eingestellt v/ird_? und dann das Fahrzeug mit 100 %

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Benzin betrieben wird, die dabei erhaltene Mischimg reicher an Treibstoff und man erhält wesentlich höhere CO-und HC-Emissionen und es wird Energie verschwendet· Zu den Problembereichen, die mit der Vervrendung dieser Alkohol/Benzin-Gemische verbunden sind, gehören:

1« die Flüchtigkeit - die zu Kalt- und Warmstartschwierigkeiten führt,

2. die Verteilung der Mischung innerhalb des Motors, 3· die Y/asseraufnähme und die Komponenten trennung, 4· die Korrosion und der chemische Angriff am Treibstoffsystem und an den Motorsystemkomponenten und 5» die stöchiometrischen Unterschiede zwischen Alkohol und Benzin mit den zugehörigen Abgasemissionserwägungen_e

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf diesen zuletzt genannten Punkt·

Das geschlossene Kreislauf-Treibstoff-Dosiersystem, das durch die Fig. 1 repräsentiert wird, für die Verwendung zusammen mit den Drei-Wege-Konversionskatalysatoren (TWC-Katalysatoren) bietet, wie sich aus den weiter unten diskutierten Tests ergibt, die Möglichkeit, niedrige Auspuffgasemissionen zu erzielen und das Treibstoffeinspritzungssystem

automatisch auf die Unterschiede in·bezug auf die Stöchiometrie zwischen einer Vielzahl von Treibstoffmischungskomponenten einzustellen* Durch diese neue Technologie können Treibstoffgemische, die bis zu mindestens 30 % Äthanol enthalten, in einem solchen System verwendet werden, während gleichzeitig die niedrigen Auspuffgasemissionen und zufriedenstellende Fahreigenschaften aufrechterhalten werden» Es

ist daher zu erwarten, daß ein Fahrzeug, das bei einer 30 % Äthanol/Benzin-Mischung auf eine optimale Systemleistung eingestellt ist, ein ähnliches Leistungsvermögen möglicherweise bei + 30 %, d.ho bei 0 % Äthanol bis 60 % Äthanol aufweist«

Der Oxidations- und Reduktionskatalysator 24 bewirkt die gleichzeitige Entfernung von HC, CO und NO aus dem Motorabgase Hohe Prozentsätze an allen drei Pollutionsmittelri, die häufig 80 % oder mehr betragen, können auf diese V/eise entfernt v/erden, wenn die Abgaszusammensetzung im Durchschnitt innerhalb eines engen Bereiches des Luft (Sauerstoff)·=· Treibstoff-Verhältnisses bleibt, wie er in der Fig· 2 dargestellt ist. Obgleich die Luft/Treibstoff-Verhältnisse momentan stark variieren können, muß das durchschnittliche Verhältnis innerhalb jedes Betriebsdauerzeitraumes von einigen wenigen Sekunden innerhalb eines Bereiches von etwa 1 oder 2 Prozentpunkten auf jeder Seite des stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnisses für den verwendeten Treibstoff liegen, damit der TWC»Katalysator auf v/irksame Weise HC, CO und U0„ entfernen kann» Wenn beispielsweise das stöchiometrische Luft/Treibstoff-Verhältnis für bleifreies Benzin 14_?6 beträgt, so kann der erforderliche Regelbereich etwa die Werte 14,45 bis 14»75 für das Luft/Treibstoff-Verhältnis umfassen. Die erfolgreiche Regelung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses hängt von dem geschlossenen Kreislauf-Regelsystem (Regelkreis) ab, d*h_e es hängt ab von einer Einrichtung, mit deren Hilfe der Sauerstoffgehalt des Abgases kontinuierlich überwacht und das Luft/Treibstoff-Verhältnis so eingestellt wird, daß die stöchiometrische Abgaszusammensetzung aufrechterhalten wird, die für den Betrieb des TWC-Katalysators erforderlich ist» Außerdem liegen, sowohl die

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H -

wirtschaftliche Ausnutzung des Treibstoffes als auch die Leistung des Motors in der Nähe des Maximums, wenn das Luft/Treibstoff-Verhältnis bei dem stöchiometrischen Verhältnis gehalten wird. Der Sauerstoffgehalt des Auspuffgases, der in Beziehung zu dem Luft/Treibstoff-Verhältnis steht, wird mittels eines Sauerstoffsensors 14 bestimmt, der am Ausgang der Auspuff-Rohrverzwigung angeordnet ist·' Der Säuerst off sensor 14 spricht sehr schnell an, bestimmt die Änderungen in der Auspuffgaszusammensetzung innerhalb einer weniger Millisekungen und antwortet mit einer sehr steilen Spannungscharakteristik unabhängig von der Treibstoffzusammensetzung an dem stöchiometrischen Punkt 1,00· Diese steil ansteigende Charakteristik erlaubt die Verwendung eines verhältnismäßig einfachen elektronischen Luft/Treibstoff«Verhältnis-Regelkreises 22 (oder eines Schaltkreises (einer logischen Einrichtung)) zur Erzeugung von korregierenden Regelsignalen E2 für eine Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung 20 bzwo einen Kontrollmechanismus und somit zur Einstellung einer Treibstoffeinspritzungseinrichtung oder eines Vergasers, um die genaue geschlossene Kreislauf-Regelung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses aufrechtzuerhalten»

Testergebnisse

Es wurde ein Testprogramm durchgeführt, in dem mehrere Äthanol/Benzin- und einige Methanol/Benzin-Gemische zum Testen in einem 1977er Prototyp-Volvo-TY/C-Katalysator-Fahrzeug verwendet wurden, dessen Motor nur für Benzin bestimmt war. Der Zweck der Tests war der, die Emissionen und das Fahrverhalten des Fahrzeugs zu untersuchen, um das Leistungsvermögen der bereits vorhandenen Regelsysteme mit geschlossenem Kreislauf zur Aufrechterhaltung eines stöchiometrischen Luft/Treibstoff-Verhältnisses bei Verwendung der Test-

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gemische zu bestimmen. Es wurde kein Versuch gemacht, den Zündzeitpunkt einzustellen oder anderweitig die geschlossene Kreislaufregelung und den TWC-Katalysator für die Verwendung der Äthanol/Benzin-Gemische zu optimieren· Das System an dem Volvo-Testfahrzeug war nämlich dazu bestimmt, die Neigung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses mit zunehmender Höhenlage reicher an Treibstoff zu werden, zu kompensieren· Andererseits sollte ein System, das für Alkohol/Benzin-Gemische bestimmt ist, so gebaut sein, daß es das Luft/Treibstoff-Verhältnis genau in entgegengesetzter Richtung (arm an Treibstoff) kompensiert«

In dem Programm wurde ein Volvo-TWC-Katalysator-Testwagen mit dem in Pig· 1 dargestellten Treibstoffen;) ektionsregelsystem mit geschlossenem Kreislauf verwendet. Die spezifischen Fahrzeugdaten sind nachfolgend angegeben:

Fahrzeug: Volvo Modell 244, 4-Gang-Hand-

schaltung

Motors Volvo B 21, 4-Zylinder mit 2,1 1

Verdrängung, keine Abgasrezyklisierung

Treibstoffzuführungs- R. Bosch K-Jetronic - Treibstoffsystem: einspritzung

Regelsystem mit geschlos- R₀ Bosch-Sauerstoffsensor (/t-Sonsenem Kreislauf: de) und Schaltkreis (logische Einrichtung) /ßas Treibstoffzuführungssystem und das Regelsystem

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mit geschlossenem Kreislauf bildeten eine Einheit/

Dynamometrisches 1350 kg (3000 Pounds)

Trägheitsgewicht: 13»2 Straßen-PS (RHP) bei 80 km/h . (50 ICPH) (einschließlich 10 %

zusätzlichen PS für die Klimaanlage)

TWC-Katalysator: Engelhard PTX-516, TWC-16 (Kata-

lysator-Volumen 1671»8 cm (102 inch³))

Sowohl der Engelhard-Katalysator als auch der R. Bosch-Sauerstoffsensor waren zum Zeitpunkt des Beginns der Tests mit diesen Alkohol/Benzin-Gemischen weniger als 480 km (300

miles) in Betrieb gewesen· Es sei darauf hingewiesen, daß kein Versuch gemacht wurde, die Motor- oder Regelsystemparameter für die Alkohol/Benzin-Gemische zu optimieren,

Äthanol.C und Methanol)/Benzin-Mischun^skomponenten

Bei dem Benzin handelte es sich um einen bleifreien Treibstoff (Kraftstoff), der demjenigen sehr stark ähnelte, wie er von d em Environmental Protection Agency der Regierung der Vereinigten Staaten für Fahrzeugemissionstests vorgeschrieben ist· Bei dein Äthanol handelte es sich um ein kommerzielles denaturiertes Produkt und bei dem Methanol handelte es sich um ein solches von Reagensqualität« Die wesentlichen Eigenschaften der Treibstoffkomponenten waren folgende:

Das Äthanol bestand im wesentlichen zu 97 % aus Äthylalkohol, zu 1 % aus Äthylacetat, zu 1 % aus Methylisobutylketon und zu 1 % aus Flugbenzin»

Das Methanol war ein solches von Reagensqualität (99,9 %ig)·

Das verwendete bleifreie Benzin hatte die folgenden Eigenschaften:

Research-Octanzahl (ROU)	91,8
API-Dichte 60/60°]? (15,6⁰C)	64
Dampfdruck 38⁰C (10O⁰F)	0,59 kg/cm² (8,4 psi)
Pb-Gehalt	0,023 g/3,79 1 (1 gal)
Schwefelgehalt	300 ppm
Phosphörgehalt	0,5 ppm
ASTM-Destillation D-86
AnfangsSiedepunkt (IBP)	37,2 ⁰C (99⁰F).
50 %	100 ⁰C (212⁰F)
Bndsiedepunkt (EP)	204 ⁰C (400⁰F)
pur_c}aführungder Tests

Es wurden Abgasemissionstests mit dem Yolvo-TWC-Katalysator» Testwagen mit den nachfolgend angegebenen Äthanol/Benzin-Gemischen (bezogen auf das Volumen) durchgeführt:

0 % Äthanol 100 % Benzin

10 % Äthanol 90% Benzin

20 % Äthanol 80 % Benzin

30 % Äthanol . 70 % Benzin

40 % Äthanol . 60 % Benzin

50 % Äthanol ' 50 % Benzin

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Zur Bestimmung der Abgasemissionen wurde das US-Federal-Testverfahren angewendet· Außerdem wurde eine Reihe von kurzen dynamischen Fahrzyklen mit jedem der obengenannten Gemische durchgeführt und zusätzlich wurde ein 60 % Äthanol/ 40 % Benzin-Gemisch bewertet, um die Eigenschaften des Regel« systems mit geschlossenem Kreislauf näher zu untersuchen_e Die Testdaten umfaßten die Aufzeichnung des Säuerstoffsensor- Outputs· Die Auspuffgasemissionstests wurden auch mit den nachfolgend angegebenen Methanol/Benzin-Gemischen (bezogen auf das Volumen) durchgeführt:

0 % Methanol 100 % Benzin

10 % Methanol 90 % Benzin

20 % Methanol 80 % Benzin

Testergebnisse

Die bei dem US-Federal~Testverfahren (I¹TP) erhaltenen Emissionsergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammen mit einem kurzen Kommentar bezüglich des Gesamt fahr verhalt ens des Fahrzeugs während der Emissionstests auf dem Chassis-Dynamometer angegeben·

Die wichtigsten Aspekte der FTP-Emissionstests sind die sehr niedrigen Fahrzeugemissionen und die Tatsache, daß diese niedrigen Emissionen mit 30 % Äthanol in dem Treibstoffgemisch aufrechterhalten wurden« Die HC/QO/ΈΟ -Gehalte lagen in der Bähe von 0,2/3,0/0,1 g/mi bei Ausgangsemissionen (ohne Katalysator) von 0,93/13,68/2,47 g/mi. Im Vergleich zu den Tests mit 30 % Äthanol zeigten die FTP-Emissionstests bei 40 % und 50 % Äthanol einen Anstieg der HO -Emis«

Λ.

sion und eine Abnahme der ,CO-Bmissicn_e Diese Beobachtung

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bezüglich der CO- und UO -Emissionen stimmte mit einer Ver-Schiebung der Regelung der Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung mit geschlossenem Kreislauf in Richtung auf eine etwas magerere Mischung überein·

Tabelle

HC CO	HO	2,47	0,11	Mischung	Bemerkungen
(g/mi) (g/mi) Cg³VnH)
Grundlinie	Äthanol/Benzin-«	0,11
	Gemische
(ohne Katalysator)	0,12 3,19	0,14	100 % Benzin	Grundlinie,
0,93 13,68				Blindkonverter
	0,31 3*90	0,07

0,24 2,77	1,77	100 % Benzin	Grun.dgemiseh
			nur Benzin
0,11 2,61	1,55	10 % Äthanol/«	ein Fehlstart
		90 % Benzin	Sack 3
0,14 0,78		20 % Äthanol/-
		80 % Benzin
0,22 0,90	30 % Äthanol/-
	70 % Benzin
	40 % Äthanol/-	etwas schlechtere
	60 % Benzin	Pahreigens chaft en
	50 % Äthanol/-	schlechte Fahrei
50 % Benzin	genschaften wäh
	rend starker Be«
	s chleunigungen

210 479 -so-

Tabelle (Portsetzung)

HC CO NO Mischung Bemerkungen (g/ml) (g/mi) Cg³VmI)

Methanol/Benzin-

Gemische - ·

0,14 3,19 0,11 100 % Benzin Grundgemisch

nur Benzin 0,16 3,20 0,09 10 % Methanol/-

. . 90 % Benzin 0,15 3,20 0,05 20 % Methanol/-

80 % Benzin

Wenn man die in Pig· 2 erläuterte Ireibstoffdosiercharakteristik berücksichtigt, ergibt sich folgendes: Bei einem 40 % Ätha nol/Benzin-Gemisch beträgt das erforderliche, durch einen geschlossenen Kreislauf geregelte stöchiometrische Luft/Treibstoff-Verhältnis für die TWC-Katalysatoraktivität 12,2 während das Luft/Treibstoff«Verhältnis ohne geschlossene Kreislauf-Regelung wahrscheinlich in der Uähe der charakteristischen Treibstoffdosierlinie bei etwa 14,0 liegen würde,. Diese Differenz stellt eine beachtliche Herausforderung für das Regelsystem dar und während des dynamischen Betriebs mit mehr als 30 %_: Ätha nol ist es wahrscheinlich, daß das geschlossene Kreislaufsystem (wie eingestellt) nicht immer ein stöchiometrisches (./L- 1,00) Luft/Treibstoff-Verhältnis einhalten kann, um einen maximalen TWC-Katalysa« tor~Umwandlungsv/irkungsgrad für HC, CO und H0_ aufrechtzuerhaltenβ Die Polge davon ist, daß sich das durchschnittliche Luft/Treibstoff-Verhältnis etwas zu dem mageren Bereich hin verschiebt, wobei der NO -Umwand lungs wirkungsgrad für den

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TWC-Katalysator deutlich abnehmen sollte, während die CO- und HC-Umwandlungsgrade ansteigen* Die Daten in der vorstehenden Tabelle bestätigen den erwarteten Trend für CO und HO · Die HC-Emissionen nehmen jedoch nicht weiterhin ab_s wie angenommen· Die Erklärung für dieses HC-Verhalten ist verhältnismäßig kompliziert und bezieht sich direkt auf das Fahrverhalten des Fahrzeugs (die Verzögerung und dgl«), das teilweise durch Einstellung des Motors verbessert werden kann*,

Ein begrenzter Test wurde auch mit Methanol als Benzin-Streckmittel durchgeführt. Die in der Tabelle angegebenen Testdaten zeigen, daß Mischungen mit bis zu 20 % Methanol keinen Einfluß auf die Emissionsergebnisse im Vergleich zu der Grundmischung hatten· Obgleich ein weiterer Test erforderlieh wäre, um die Betriebsgrenzen für Gemische von Methanol mit Benzin festzulegen, zeigen diese Ergebnisse, daß das TWC-Katalysatorsystem mit geschlossenem Kreis auch für variierende Methanol/Benzin-Gemische auf die gleiche Art und Weise wie vorstehend für. Äthanol-Benzin-Gemische beschrie* ben anwendbar ist«

Schlußfolgerungen

Die Schlußfolgerungen aus dieser Untersuchung bezüglich des Einflusses von Alkohol/Benzin-Treibstoffgemischen auf den Betrieb und die Auspuffgasemissionen eines TWC-Katalysator-Pahrzeuges mit geschlossenem Regelkreis sind folgende:

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Bei einem Emission/Fahrzeug-System, das nur für den Betrieb mit Benzin als Treibstoff bestimmt ist, können Äthanol/Benzin-Treibstoffgemische, die mindestens 30 % Äthanol enthalten, bei einem ausgezeichneten Fahrzeugbetrieb und bei niedrigen HC-, CO- und UO -Auspuffgasemissionen verwendet werden, gemessen auf einem Chassis-Dynamometer unter Anwendung des US(3?ederal)-E&issions-Testverfahrenso

Im allgemeinen wurde eine gute Regelung (Steuerung) der HC- und CO-Emissionen bei Äthanol/Benzin-Gemischen mit bis zu 50 % Äthanol erzielt, das Fahrverhalten des Fahrzeugs wurde jedoch bei einigen Arten des dynamischen Betriebes verschlechterte

Methanol/Benzin-Treibstoffgemische, die bis zu 20 % Methanol enthielten, ergaben einen ausgezeichneten Fahrzeugbetrieb und niedrige HC-, CO- und UO -Abgasemissionen· Methanolkonzentrationen oberhalb 20 % wurden nicht untersucht»

Es wird angenommen, daß dieses Fahrzeug, wenn es in bezug auf Leistung und Emissionsregelung auf einen Äthanol/Benzin« Treibstoff mit 30 % Äthanol optimal eingestellt würde, wahrscheinlich eine Regelung innerhalb des Bereiches von + 30 % ermöglichen, d«h. mit einem 0/100 %-bis 60/40 %-Äthanöl/-Benzin-Gemisch betrieben v/erden könnte»

Obwohl keine Versuche mit anderen Gemischen als den vorstehend genannten durchgeführt wurden, scheint es möglich, ein Rückführungs-Luft/Treibstoff-Kondensationssystem zu ent?ri.kkeln_f das ein stöchiometrisches Verhältnis bei Treibstoffgemischen innerhalb des Bereiches von 100 % Benzin bis 100 % Methanol oder Äthanol aufrechterhalten könnte»

Claims

21 O 479 - 23 - Brfindungsanspruch

1· Brennkraftmaschine, die mit Kohlenwasserstoff-Benzin betreibbar ist, gekennzeichnet dadurch, daß das Verbrennungssystem umfaßt

- eine Verbrennungskammer (10) und einen Auspuff (12),

- eine Einrichtung zum Mischen von Luft mit dem Treibstoff, der enthält oder besteht aus Kohlenwasserstoff-Benzin und einem wesentlichen Anteil mindestens eines teilweise oxygenierten (säuerstoffhaltigen) Kohlenwasserstoffs, die getrennte Zuführungsquellen (16 j 18) für Luft und Treibstoff umfaßt, ' "

- eine Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung (20), die mit mindestens einer der Zuführungsquellen (I6j 18) gekoppelt ist, zur Regelung des Luft/Treibstoff-Verhältnisses für die Verbrennung und

- einen Sauerstoffsensor (14), der mit dem Auspuff (12) des Verbrennungssystems"gekoppelt ist und.auf das stöchiometrische Verhältnis in dem Auspuffgas anspricht

. unter Abgabe eines Regelsignals (E2), wobei die Luft/-Treibstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung (20) mindestens teilweise auf das Regelsignal (E2) anspricht, welches die Luft/Treibstoff-Verhältnis-Regeleinrichtung (20) so einstellt, daß ein vorher festgelegtes durchschnittliches Luft/Treibstoff-Verhältnis erzielbar ist, wodurch ein im wesentlichen durchschnittliches stöchiometrisches Luft/Treibstoff«Verhältnis für die Verbrennung des Treibstoffes, der einen wesentlichen Anteil an teilweise osygenierten (sauerstoffhaltigen) Kohlenwasserstoff komponenten enthält j automatisch eingestellt ist©

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- 24 -

2» Brennkraftmaschine nach.Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Verbrennungssystem außerdem aufweist einen Oxidations- und Reduktionskatalysator (24)» der mit dem
Auspuff (12) des Verbrennungssystems gekoppelt ist,
wobei der Betrieb dieses Systems einen normalen Zyklus
für den Auspuff (12) ergibt, der schnell innerhalb
einer vorher festgelegten begrenzten Abweichung von dem stöchiometrischen Verhältnis oszilliert·

3· Brennkraftmaschine nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Abweichlang von dem stöchiometrischen Verhältnis zwischen + 2 % liegt«

A Seite Zeichnung