Herstellen von Alterungsgas für Abgasnachbehandlungssysteme

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Alterungsgas für die Alterung von Komponenten zur Abgasnachbehandlung wie Abgaskatalysatoren und Partikelfilter sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum künstlichen Altem von Komponenten zur Abgasnachbehandlung wie Abgaskatalysatoren und Partikelfiltern durch Beaufschlagen mit in einem Brenner erzeugten Alterungsgas. Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren sind durch Emissionsgesetze reglementiert, die heute nur durch Abgasnachbehandlungssysteme eingehalten werden können, die den Verbrennungsmotoren im Abgasstrang nachgeschaltet sind.

Diese Abgasnachbehandlungssysteme müssen eine gesetzlich vorgeschriebene Haltbarkeit aufweisen. Für die Europäische Union ist dies nach Einführung der Abgasstufe EURO 4 eine Haltbarkeit von zumindest 100.000 km Fahrleistung des Kraftfahrzeuges, während nach der Einführung der Abgasstufe EURO 5 eine Haltbarkeit von 160.000 km Fahrleistung vorgeschrieben ist. Für eine Homologisierung (Typenzulassung) eines Kraftfahrzeuges muß die Dauerhaltbarkeit der entsprechenden Abgasnachbehandlungssysteme nachgewiesen werden. Hierfür werden Verfahren zur künstlichen Alterung zugelassen, die die Abnutzungs- und Schädigungsprozesse im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges während der Lebensdauer durch Prüfstandsbe- trieb simulieren sollen.

Zur Überwachung der Haltbarkeit der Abgasnachbehandlungssysteme im Fahrzeugbetrieb werden On-Board-Diagnose-Systeme (OBD) verlangt, die bei Überschreiten von Abgasgrenzwerten dem Fahrer den fehlerhaften Betrieb der Abgasnachbehandlungssysteme anzeigen. Diese On-Board-Diagnose-Systeme werden ebenfalls bei einer Typenzulassung mit künstlich gealterten Abgasnachbehandlungssystemen auf ihre Wirksamkeit überprüft.

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Alterung

Als Alterung eines Katalysators bezeichnet man den nachlassenden Weitungsgrad der Abgasnachbehandlung durch den Betrieb, u. a. durch die Zerstörung der kataly- o tisch aktiven Schicht. Durch die Verkleinerung der aktiven Oberfläche können nicht mehr alle Emissionen oxidiert bzw. reduziert werden, so daß die Emissionen nach dem Katalysator, die an die Umwelt abgegeben werden, ansteigen. Für die Alterung von Katalysatoren sind im wesentlichen zwei Mechanismen verantwortlich, die je nach Betriebspunkt zusammen oder auch getrennt auftreten können. Beide Mecha-

5 nismen werden auch zur gezielten Katalysatoralterung eingesetzt.

Thermische Alterung

Katalysatoren sind darauf ausgelegt, bei Betriebstemperaturen von 200 bis 950 ⁰ C zu D arbeiten. In diesem Temperaturbereich schreitet die Alterung sehr langsam voran. Steigt die Betriebstemperatur über 85O ⁰ C ₁ erfolgt eine schnellere Alterung, die so genannte thermische Alterung. Diese nimmt rapide zu, wenn Temperaturen von mehr als 1000°C erreicht werden. Dabei werden die aktiven Oberflächen durch Sintervorgänge verkleinert. Bei Temperaturen von 1400 ⁰ C und mehr schmilzt der Kera- 5 mikkörper, was zur vollständigen Zerstörung führt. Dies macht sich normalerweise durch einen Leistungsverlust des Motors infolge eines zu hohen Abgasstaudrucks im Katalysator bemerkbar.

Vergiftung

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Die Vergiftung des Katalysators kann auf zwei Arten geschehen. Zum einen kann eine chemische Vergiftung der aktiven Oberfläche durch Fremdstoffe wie z.B. Kraftstoff oder Öladditive auftreten, die durch chemische Reaktionen die katalytische Schicht zum Teil zerstört und so reduziert. Zum anderen tritt mechanische Vergiftung auf. Dabei wird die aktive Schicht durch z.B. Blei und Schwefel aus Kraftstoff und Öl abgedeckt, was wiederum zu deren Reduzierung führt.

OSC Messung (Oxigen Storage Capacity)

Um eine Aussage über den Alterungsgrad eines Katalysators treffen zu können, wird eine OSC-Messung durchgeführt. Diese dient der Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators, woraus dann ein Alterungszustand abgeleitet werden kann. Je älter der Katalysator, desto geringer die Speicherkapazität. Die OSC-Messung wird sowohl in Serienfahrzeugen als auch in der künstlichen Katalysatoralterung eingesetzt.

Die OSC-Messung wird im stationären Zustand von Abgastemperatur und - Massenstrom durchgeführt. Dazu werden vor und nach dem Katalysator die Lambdasignale gemessen. Der Motor oder Brenner wird so betrieben, daß das Abgas innerhalb kurzer Zeit von einem fetten Gemisch (Lambda <1) auf ein mageres Gemisch (Lambda >1) springt. Die Phasenverschiebung zwischen Vor-und Nachkatalysatorsignal (nach Lambdasprung) ist proportional zum im Katalysator gespeicherten Sauerstoff.

Künstliche Alterung

Im Wege der künstlichen Alterung mit in einem Brenner erzeugten Alterungsgas können Dauerlauf- und Grenzkatalysatoren erzeugt werden. Bei Dauerlaufkatalysatoren werden Alterungszyklen benutzt, die ein vergleichbares Alterungsergebnis zu den im Straßenverkehr gealterten Katalysatoren besitzen. In festgelegten Intervallen werden Messungen zur Feststellung der Katalysatorbeschädigung des zu prüfenden Katalysators durchgeführt. Dies dient den Automobilherstellern dann zur Entwicklung von fahrzeugspezifischen Katalysatoren bezüglich deren Aufbau, Beschichtung und Lebensdauer. Ist die optimale Abstimmung hierzu erfolgt, kann der Katalysator eingesetzt werden. Zusätzlich können weitere dynamische Zyklen wie der durch den Gesetzgeber vorgegebene Standard-Prüfzyklus oder der ZDAKW-Zyklus durchgeführt werden, wobei Luft und/oder Kraftstoff vor dem Katalysator dynamisch zudosiert werden können zum Darstellen einer exothermen Reaktion.

5 Grenzkatalysatoren hingegen werden soweit gealtert, bis sie die regional gesetzlich festgelegten OBD - Emissionsgrenzen erreichen. Diese Grenze wird dann anschließend benutzt, um ein regelungstechnisches Modell für das Fahrzeug zu erstellen, das das Überschreiten der Emissionsgrenzen detektieren kann. Zur Messung des Alterungsgrades der Katalysatoren steht, wie im Fahrzeug, am

D Brennerprüfstand die so genannte OSC-Messung zu Verfügung.

OBD Grenzkatalysatoralterung (On Board Diagnose)

Bei der OBD Grenzkatalysatorerstellung werden die Katalysatoren bei einem

5 konstanten Betriebspunkt für eine bestimmte Zeit gealtert. Für diesen

Alterungsprozess wird die thermische Alterung benutzt. Ziel dieser Alterungsmethode ist es, einen Katalysator soweit zu altern, daß dieser die OBD Emissionsgrenzwerte gerade noch einhält. Da sich jeder fahrzeugspezifische Katalysator abhängig von seiner Beschichtung anders verhält, ist es nicht vorhersehbar, wie lange der

D Alterungsprozess dauert. Daher wird die Alterung in Intervalle mit anschließender

OSC-Messung unterteilt, um zu verhindern, daß der Katalysator bei zu langer

Alterungszeit über den Grenzwert hinausdriftet und unbrauchbar wird. Parallel zu den

OSC-Messungen wird auch ein Abgastest durchgeführt, um die Emissionen des gealterten Katalysators zu bestimmen. Dafür wird der Katalysator vom Prüfstand in

5 das zugehörige Fahrzeug eingebaut und die Messung auf einem Rollenprüfstand in realitätsnaher Umgebung (realer Motor mit Abgasnachbehandlungssystem) durchgeführt.

Da die Sauerstoffspeicherfähigkeit und die Emissionen antiproportional miteinander D verbunden sind, die Ermittlung der Emissionen im Serienfahrzeug aber aufwendig ist, dient der OSC-Wert dort als Maß für die Emissionen. Bei der OBD- Grenzkatalysatoralterung wird also der OSC-Wert ermittelt, bei der die Emissionen des Fahrzeuges grenzwertig sind. Später im Serienfahrzeug kann dann anhand einer OSC-Messung ein defekter Katalysator und ein Nichteinhalten der Emissionsgrenzen detektiert werden.

ZDAKW Alterung (Zusammenarbeit der deutschen Automobilindustrie zur j Katalysatorweiterentwicklung)

Der ZDAKW Zyklus wurde vom Abgaszentrum der Deutschen Automobilindustrie (ADA) entwickelt. Er wurde entwickelt, um ein einheitliches Prüfverfahren für Katalysatorbeschichtungen zu haben. Dieser Zyklus setzt sich im wesentlichen aus

) einer Hochtemperaturphase mit jeweils fünf Schubabschaltungen und einer Vergiftungsphase mit drei Temperaturniveaus zusammen. Bei der Schubabschaltung wird kurzzeitig die Kraftstoffeinspritzung unterbrochen und parallel der Abgasmassenstrom verringert. Dadurch wird der Katalysator mit Sauerstoff gespült und ein Lambdawert von ca. 8 eingestellt. Bei dem anschließenden Hochfahren des

5 Massenstromes und Wiedereinsetzen der Einspritzung steigt der Lambdawert wieder auf den geregelten Wert von 1. Dieser Vorgang soll den Fahrbetrieb bei plötzlicher Gasabnahme und Gaszugabe simulieren. In der Vergiftungsphase wird bei geringen Temperaturniveaus ein etwas fetteres Gemisch des Abgases über den Katalysator geleitet. Dies hat zur Folge, daß sich die katalytisch aktive Schicht durch chemische

) Vergiftung verringert.

Stand der Technik

Ein Altern von Abgasnachbehandlungssystemen, insbesondere Abgaskatalysatoren, 5 auf Motorprüfständen zu simulieren, ist möglich, jedoch zum einen teuer, zum anderen schlecht reproduzierbar, da Motoralterungseinflüsse eine nicht kalkulierbare Einflußgröße darstellen.

Hiervon ausgehend sind Verfahren und Vorrichtung entwickelt worden, gemäß denen D Alterungsgas für die Alterung von Abgasnachbehandlungssystemen in Brennern erzeugt wird, in denen je nach Einzelfall Ottokraftstoff oder Dieselkraftstoff in bestimmten Simulationszyklen verbrannt werden, die der Abgasentstehung im Fahrzeugeinsatz gleichen sollen. Die entsprechenden Betriebszyklen der eingesetzten Brenner müssen hierbei Störungen wie Zündaussetzer und Schubabschaltung simu- lieren können.

Aus der US 7 140 874 B2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erprobung von Abgaskatalysatoren bekannt, bei denen ein Brenner eingesetzt wird, der vor der

5 Brennkammer eine Drallplatte hat, die eine zentrale Durchgangsöffnung hat, in welche eine Kraftstoffeinspritzdüse einspritzt, und die umfangsverteilte Bohrungen hat, durch die die Verbrennungsluft in die Brennkammer einströmt. Diese umfangsverteil- ten Bohrungen haben zumindest teilweise von der Eintrittsseite zur Austrittsseite einen Verlauf mit Tangentialkomponenten und Radialkomponenten, der zu einem Drall

D der Verbrennungsluft am Eintritt zur Brennkammer führt.

Die Herstellung dieser Drallplatten ist kostenaufwendig, wobei eine optimierte Verbrennung nur bei einem einzigen Betriebspunkt des Brenners möglich ist, während die Alterungszyklen verschiedene Betriebszustände notwendig machen, da das 5 Alterungsgas mit verschiedenen Temperaturen bereitgestellt werden muß und gegebenenfalls auch mit verschiedenen Verbrennungsluftverhältnissen erzeugt sein soll. Dies gilt insbesondere, wenn an den Einsatz von Ottokraftstoff und Dieselkraftstoff im gleichen Brenner gedacht ist.

) Aufgabe

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die in einem stabilen Brennerbetrieb Alterungsgase unterschiedlicher Temperatur bereitstellen mit denen auch Alterungsgas mit ver- 5 schiedenen Verbrennungsluftverhältnissen in stabilem Brennerbetrieb erzeugt werden kann.

Herstellen von Alterungsgas

) Die Lösung hierfür besteht in einem Verfahren zur Erzeugung von Alterungsgas für die Alterung von Komponenten zur Abgasnachbehandlung, insbesondere Abgaskatalysatoren, in einem Brenner, der eine Brennkammer mit zumindest einer Kraftstoffeinspritzdüse und mit einer Verbrennungsluftzuführung mit Mitteln zur Draller- zeugung aufweist, wobei der Drall der Verbrennungsluft in Abhängigkeit vom gewählten Verbrennungsluftverhältnis λ eingestellt wird. Hiermit ist es möglich, durch gezielte Voreinstellung des Dralls der Verbrennungsluft einen stabilen Betrieb für verschiedene Verbrennungsluftverhältnisse bei unterschiedlichen Prozeßparametern sicher- 5 zustellen, sei es je nach eingesetztem Brennstoff (Ottokraftstoff, Dieselkraftstoff) oder nach gewünschter Abgastemperatur und/oder gewünschter Abgaszusammensetzung.

Das Alterungsgas wird durch Verbrennung eines C-haltigen Kraftstoffs mit Verbren- o nungsluft im Brenner erzeugt. Die Zusammensetzung des Alterungsgases kann durch Zumischung von Zusatzgas und/oder anderen Stoffen, insbesondere Öl, verändert werden, um natürlichen Motorabgasen möglichst ähnlich zu werden. Zusatzgase können hierbei in reiner Form aus Speichern, d. h. aus Gasflaschen zugemischt werden. Das Alterungsgas soll eine Temperatur von > 250 ⁰ C, vorzugsweise > 700 ⁰ C 5 und insbesondere von 1000 bis 1250 ⁰ C aufweisen können, wahlweise jedoch auch eine Temperatur von <200°C.

Das Verbrennungsluftverhältnis kann in vorbestimmten Zyklen entsprechend der Prüfvorschrift variiert werden. Auf diese Weise kann die zu alternde Abgasnachbe-

D handlungseinrichtung mit unterschiedlichen Alterungsgaszusammensetzungen und Alterungsgastemperaturen, entsprechend einem Belastungskollektiv, wie es einem gemischten Fahrzeugbetrieb entspricht, belastet werden. Durch Verstellen der Parameter Verbrennungsluftverhältnis sowie der Kraftstoff- und Luftmengen kann die Abgasnachbehandlungsvorrichtung zyklischen thermischen Belastungen unterzogen

5 werden und erfährt somit Bedingungen, wie sie im realen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges vorkommen.

Ein typischer Alterungszyklus liegt in einem Temperaturbereich von 800 bis 1250°C. Es lassen sich auch spezielle Alterungszyklen darstellen, in denen das Anspringver- ) halten der Abgasnachbehandlungseinrichtung am Prüfstand nachgebildet wird.

Eine besonders effektive Sicherung eines stabilen Brennerbetriebs auch bei dynamischen Änderungen der Betriebszustände ist dadurch möglich, daß der Drall der Verbrennungsluft in Abhängigkeit von Änderungen des Verbrennungsluftverhältnisses λ während der Alterungsgaserzeugung verändert wird.

Besonders sinnfällig ist es, wenn der Drall der Verbrennungsluft bei einem Verbren- 5 nungsluftverhältnis λ > 1 (mager/stöchiometrisch) geringer eingestellt wird, als bei einem Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 (fettes Verbrennungsluftverhältnis).

Der Strom der dem Brenner zugeführten Verbrennungsluft (Frischluft) muß massen- stromregelbar sein, insbesondere mittels einer externen Verbrennungsluftversor- 0 gungsanlage.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, daß die Verbrennungsluft in einem innenliegenden Primärluftstrom der Brennkammer drallbehaftet und in einem äußeren Sekundärluftstrom im wesentlichen drallfrei zugeführt wird. Dies gilt insbesonde- 5 re, wenn die zumindest eine Kraftstoffeinspritzdüse in zentraler Anordnung mittig in der Brennkammer liegt. In einigem Abstand hinter der Kraftstoffeinspritzdüse ist eine Zündvorrichtung in der Brennkammer anzuordnen.

Weiterhin ist es günstig, in Anpassung an eine veränderte Kraftstoffeinspritzmenge D auch die zugeführte Verbrennungsluftmenge zu variieren, ohne hierbei übermäßige Auswirkungen auf den Drall entstehen zu lassen. Hierfür ist vorgesehen, daß der außenliegende Sekundärluftstrom drosselbar ist.

Die Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer soll mit hohem Druck von mehr als 20 5 bar getaktet steuerbar erfolgen.

In günstiger Ausgestaltung ist vorgesehen, Alterungsgas in einer internen Rückströmung im Brenner nahe der zumindest einen Kraftstoffeinspritzdüse der Verbrennungsluft zuzumischen. Hierzu ist ein Venturi-Effekt in der zentralen Verbrennungs- D luftströmung zu erzeugen, durch die rückgeführtes Alterungsgas nahe der Kraftstoffeinspritzdüse angesaugt werden kann. Diese Verfahrensvariante wird primäre Abgas- bzw. Alterungsgasrückführung genannt. Um keinen nachteiligen Einfluß auf die Alterungsgastemperatur zu erzeugen, wird bei Drosselung des Sekundärluftstromes auch die primäre Alterungsgasrückführung reduziert.

5 Um stabile, gleichmäßige Verbrennungsabläufe in der Brennkammer sicherzustellen, wird nach einer bevorzugten Verfahrensweise die axiale Position der Brennerflamme, zum Beispiel anhand der Höchsttemperatur, detektiert und bei nach hinten auswandernder Brennerflamme der Drall der Verbrennungsluft erhöht und bei nach vorne auswandernder Brennerflamme der Drall der Verbrennungsluft reduziert. o

In Simulation der im motorischen Betrieb vorkommenden Abgasrückführung, mit der verbesserte Abgaswerte erreicht werden können, wird nach einer weiteren besonderen Verfahrensführung vorgesehen, daß dem originär im Brenner erzeugten Alterungsgas in der Brennkammer konditioniertes Alterungsgas zugesetzt wird.

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Hierbei kann zur Beeinflussung der Alterungsgastemperatur, die die Abgasnachbehandlungssysteme beaufschlagt, das rückgeführte Alterungsgas gekühlt und getrocknet werden. Diese Verfahrensvariante wird sekundäre Abgasrückführung bzw. sekundäre Alterungsgasrückführung genannt. D

Der Anteil der sekundären Alterungsgasrückführung des Brenners wird insbesondere in Abhängigkeit von der gewünschten Alterungsgastemperatur verändert. Das Alterungsgas der sekundären Alterungsgasrückführung wird im Brenner bevorzugt in Form einer Ringmantelströmung zugesetzt.

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Das konditionierte Alterungsgas kann einer Alterungsgashauptleitung hinter den Komponenten zur Abgasnachbehandlung entnommen werden oder einer Alterungs- gasbypassleitung, mit der diese Komponenten umgangen werden.

) Nach einer weiteren Ausgestaltungsform ist vorgesehen, daß dem im Brenner er- zeugterv Alterungsgaskalt oder heiß konditioniertes rückgeführtes Alterungsgas hinter dem Brenner und vor dem Eintritt in die Abgasnachbehandlungskomponenten zugemischt wird. Auch hiermit ist eine Einflußnahme auf die Temperatur des in das Ab- gasnachbehandlungssystem eintretenden Alterungsgases möglich. Die hiermit beschriebene Verfahrensvariante wird als tertiäre Abgasrückführung bzw. Alterungsgasrückführung bezeichnet.

5 Dem Alterungsgas der sekundären und/oder der tertiären Abgasrückführung oder dem Abgas vor dem Katalysator kann Öl und/oder Kraftstoffe und/oder Fremdgas und/oder Luft zugesetzt werden, wie es sich bei motorischer Verbrennung bei zunehmendem Verschleiß des Verbrennungsmotors alterungsbedingt ergibt. Der Vorteil liegt hier in der Reproduzierbarkeit dieser Verfahrensschritte bei der Herstellung

10 des Alterungsgases über der Zeit, .d. h. über den Zyklen der Alterungsgasherstellung.

Besonders vorteilhaft am erfindungsgemäßen Verfahren ist es, daß eine Schubabschaltung eines Verbrennungsmotors dadurch simuliert werden kann, daß die Kraftstoffzufuhr zum Brenner unterbrochen und zum erneuten Starten der Brennkammer

15 ein Verbrennungsluftverhältnis λ < 1 (fettes Kraftstoffgemisch) in Kombination mit einem sehr hohen Drall der Primärluftstrom eingestellt wird, wodurch sich eine gute Zündfähigkeit ergibt, so daß die Abschaltungsphasen sehr kontrolliert eingehalten werden können. Ebenso läßt sich Abgas zum Ziel der Massenstromreduzierung durch den Katalysator im Bypass führen. Zur Steuerung der Massenströme lassen

!0 sich geeignete Abgasklappen verwenden. Ebenso lassen sich mehrere Katalysatoren parallel altern und die Massenströme mittels geeigneter Abgasklappen regeln. Weiterhin lassen sich bei Aufbau von Abgaskrümmern die Temperatur der einzelnen Teilmassenströme jeweils durch eine dosierte Abgasrückführung, und/oder mittels einzelner Abgasklappen, einstellen.

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Verfahren zum Altern

Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Altern von Komponenten zur Abgasnachbehandlung, insbesondere Abgaskatalysatoren, durch Beaufschlagen mit Alterungs- IO gas, das nach den vorstehenden Bedingungen hergestellt ist. Das künstliche Altern eines gesamten Abgasnachbehandlungssystems wird hiermit in der Weise vorgenommen, daß heißes Alterungsgas mit C-, HC- und/oder NOx-haltigen Bestandteilen in einem Brenner erzeugt wird und durch die Abgasnachbehandlungsanlage hin- durchgeführt wird, wobei das heiße Alterungsgas die entsprechenden Abgasnachbehandlungskomponenten für die Nachbehandlung von C-, HC- und/oder NOx-haltigen Bestandteilen in ähnlicher Weise belastet, wie im Fahrbetrieb natürlich hergestelltes Motorabgas.

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Brenner

Die Erfindung umfaßt weiterhin einen Brenner zur Erzeugung von Alterungsgas für die Alterung von Komponenten zur Abgasnachbehandlung, insbesondere Abgaska-

) talysatoren, der eine Brennkammer mit einer Brennkammerachse und zumindest eine Kraftstoffeinspritzdüse und eine Verbrennungsluftzuführung umfaßt, welche Mittel zur Drallerzeugung aufweist, wobei die Mittel zur Drallerzeugung im Sinne einer Veränderung der Drallstärke der Verbrennungsluft verstellbar sind. Die entsprechende Mittel zur Drallerzeugung sind hierbei ohne Demontage des Brenners von außen

5 verstellbar, um eine Voreinstellung des Dralls vorzunehmen oder eine Verstellung des Dralls während des Betriebes zu ermöglichen. Die Verstellung kann gemäß vorprogrammierten Verbrennungszyklen und/oder im Rahmen von Regelungsprozessen erfolgen.

) Die Mittel zur Drallerzeugung der Verbrennungsluftführung sind insbesondere um- fangsverteilte um radial zur Brennkammerachse angeordnete Achsen auf Zapfen schwenkbare Drallschaufeln. Diese sind vorzugsweise mit einem einzigen drehbaren Verstellring im Eingriff, der mit allen Drallschaufeln zusammenwirkt.

i In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Verbrennungsluftstrom vor der Kraftstoffeinspritzdüse ein Ringblech oder Trichter vorgesehen, das den Verbrennungsluftstrom in einen innenliegenden Primärluftstrom und in einen außenliegenden Sekundärluftstrom teilt, wobei die Mittel zur Drallerzeugung bevorzugt im Primärluftstrom liegen. Hiermit ist insbesondere der nahe der Kraftstoffeinspritzdüse liegende

⁾ Verbrennungsluftstrom mit einem veränderbaren Drall zu versehen, während der äußere Sekundärluftstrom, der gegebenenfalls einen größeren Volumenstromanteil ausmacht, in im wesentlichen drallfrei bleibt. Es ist jedoch weiterhin vorgesehen, daß Mittel zur Volumenstromsteuerung des Verbrennungsluftstroms vorgesehen sind, wobei diese insbesondere auf den äußeren Sekundärluftstrom einwirken können. Hierzu sind die Mittel zur Volumenstromsteuerung der Verbrennungsluftstromes als ein konzentrisch zur Kraftstoffe in- 5 spritzdüse angeordneten Ring aus verstellbaren Lochblenden ausgeführt.

Zur Detektierung der axialen Lage der Brennerflamme innerhalb der Brennkammer können ein oder mehrere besondere Sensoren vorgesehen sein, insbesondere Temperaturfühler die über der Länge der Brennkammer verteilt angeordnet sind. o

Weitere konstruktive Merkmale gehen dahin, daß in der Brennkammer ein Flammrohr konzentrisch angeordnet ist, das vor dem Ende der Brennkammer endet und nahe der Kraftstoffeinspritzdüse umfangsverteilte Austrittsöffnungen für rückströmendes primäres Alterungsgas aufweist. Damit dieses in selbständigen Rückstrom

5 zugeführt wird, ist vorgesehen, daß die Austrittsöffnungen im Flammenrohr in einem düsenartig verengten Abschnitt des Flammenrohres hinter der Kraftstoffeinspritzdüse liegen, wobei im primären Verbrennungsluftstrom ein Venturieffekt entsteht.

Eine weitere günstige Ausführungsform geht dahin, daß innerhalb des Brennerman- 0 tels ein konzentrisch zur Brennkammerachse angeordnetes Mischrohr liegt, das mit dem Brennermantel einen Ringraum bildet, an den ein Zuführstutzen für konditioniertes rückgeführtes Alterungsgas angeschlossen ist, wobei das Mischrohr über die Länge des Flammrohrs hinausreicht und hinter dem Ende des Flammrohres umfangsverteilte Austrittsöffnungen für das konditionierte Alterungsgas aufweist. Diese 5 Ausführungsform dient insbesondere der Zumischung von sekundär rückgeführtem konditionierten Alterungsgas, wie zuvor im Zusammenhang mit den Verfahrensführungen beschrieben.

Anlage zum Altern o

Die Erfindung umfaßt eine Anlage zum künstlichen Altern von Abgaskatalysatoren bzw. Abgasnachbehandlungssystemen durch Beaufschlagen mit in einem Brenner erzeugtem Alterungsgas, in der ein Brenner nach einem der vorher genannten Aus- führungsformen eingesetzt ist.

Komponenten der Anlage

5 Eine derartige Anlage besteht aus den Komponenten Luftversorgung, Kaftstoffversorgung, Brenner mit Mischeinrichtung, Alterungsstrecke für die zu alternden Abgasnachbehandlungskomponenten und Alterungsgasrückführung.

Luftversorgung

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Über die Luftversorgung wird der Brenner mit Verbrennungsluft versorgt, um später mit dem Kraftstoff ein zündfähiges Gemisch zu erzeugen. Es wird über einen Luftfilter Frischluft angesaugt, die über einen Rootsverdichter, der von einem Asynchronmotor angetrieben wird, verdichtet wird. Aufgrund des Druckgefälles zur

5 Umgebungsluft am Abgaskamin hinter dem Abgasnachbehandlungssystem entsteht ein Massenstrom in diese Richtung. Der Asynchronmotor wird über einen Frequenzumrichter drehzahlgeregelt. Anschließend kann die Temperatur der verdichteten Verbrennungsluft über einen Gegenstromwärmetauscher heruntergekühlt werden. Nach dem Luftfilter mißt ein Heißfilmluftmassensensor

D (HFM) den Massenstrom, der über eine anschließende Drosselklappe geregelt wird. Die schnell regelnde Drosselklappe ist notwendig, da der Rootsverdichter zu träge ist, um die schnellen Massenstromänderungen, die für verschiedene Zyklen benötigt werden, zu realisieren. So gelangt die Verbrennungsluft mit einem bestimmten Massenstrom und bestimmter Temperatur an den Brennerkopf.

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Kraftstoffversorgung

Aus einem Tank wird mittels einer Kraftstoffpumpe der Kraftstoff zum Brenner gepumpt. Ein Massenstrommesser misst den Durchsatz an Kraftstoff. Über einen 0 Gegenstromwärmetauscher wird der nicht benötigte Kraftstoff gekühlt. Eine Hochdruckpumpe bringt nun den Kraftstoff auf einen Druck von 50 bar, der für das Einspritzventil benötigt wird. Brenner mit Mischeinrichtung

Eingangsseitig bildet ein Eintrittskrümmer, auch Brennerkopf genannt, den Übergang vom kalten zum heißen Teil der Anlage. Ausgangsseitig bildet die Brennerkammer 5 den Übergang zum Abgasnachbehandlungssystem über einen Flansch.

Zur Kühlung der Bauteile in der Mischeinrichtung wird der zweischalige Eintrittskrümmer durch einen Kühlwassermantel gekühlt.

o Die Mischeinrichtung besteht im wesentlichen aus den Komponenten Luftsteuerungsapparat mit Drallvorrichtung und Blende, Einspritzdüse mit Einspritzventil und dem Flammrohr.

Die Mischeinrichtung hat die Aufgabe, den Kraftstoff und die Verbrennungsluft so zu 5 vermischen, das ein brennbares Gemisch entsteht, das im Flammrohr verbrannt wird, um am Austritt des Brenners ein Abgasgemisch bereitzustellen, das den Abgasen eines Ottomotors oder Dieselmotors ähnelt.

Nachdem das Abgas das Flammrohr verlassen hat, wird es nach und nach durch iθ Beimischung von dem gekühlten konditionierten Alterungsgas der sekundären Abgasrückführung (AGR) herabgekühlt. Durch die seitliche Zuführung entsteht um das Mischrohr herum eine Drallströmung. Durch Prallbleche und Bohrungen wird das kältere rückgeführte Alterungsgas in das Innere der Brennkammer gedrückt, so daß nach hinten ein immer niedriger temperiertes Alterungsgas entsteht. Durch gezieltes ^» 5 Beimischen von Luft kann zusätzlich Einfluss auf die Abgastemperatur am Brennerausgang genommen werden. Dabei setzt sich der Massenstrom, der anschließend durch das Abgasnachbehandlungssystem strömt, aus Frischluftmassenstrom, AGR-Massenstrom und Kraftstoffmassenstrom zusammen.

$0 Mittels Temperaturmessung an mehreren Stellen der Brennkammer kann die Position der Flamme detektiert werden und die Position über eine Veränderung des Dralls eingestellt werden. Alterungsstrecke

Die Alterungsstrecke erstreckt sich zwischen zwei Flanschverbindungen. Die erste befindet sich direkt hinter dem Brennerausgang, während die zweite vor einem Rußpartikelfilter sitzt. Die Flansche haben einen konstanten Abstand, so daß die zu behandelnden Katalysatoren schon vorab an die Anlage angepaßt werden können. Da Geometrie und Abgasführung der zu alternden Katalysatoren meist sehr unterschiedlich sind, muß diese Anpassung immer individuell geschehen. In der Regel ist jeder Katalysator mit Vor- und Nachkatalysatoranschlussmuffen für Lambdasonden und mehreren Einschraubmuffen für Thermoelemente und Temperatursensoren versehen. Unter Berücksichrtingung der Alterungsgaskapazität des Brenners und des Alterungsgasbedarfs der Katalysatoren können zwei oder mehr Katalysatoren in der Alterungsstrecke parallel geschaltet werden. Hierbei kann zur Massenstromregelung mindestens eine Bypaßleitung zu den Katalysatoren in der Alterungsstrecke vorgesehen sein.

Alterungsgasrückführung

Die Alterungsgasrückführung entnimmt dem Abgasmassenstrom vor dem Abgaskamin einen Teil, um diesen abgekühlt wieder dem originären Alterungsgas beizumischen. Dazu wird das heiße Alterungsgas über einen Gegenstromwärmetauscher geleitet, der es auf ca. 40 ⁰ C abkühlt. Das nun abgekühlte Alterungsgas wird über einen Zyklonabscheider geleitet, um die flüssige Phase nach der Abkühlung herauszufiltem. Über einen Heißfilmluftmassensensor (HFM) wird nun der Massenstrom des rückgeführten Alterungsgases bestimmt, um diesen über eine folgende Drosselklappe und einen Rootsverdichter zu regeln. Schließlich gelangt das abgekühlte Alterungsgas zum Brenner, wo es über das Mischrohr dem heißen originär erzeugten Alterungsgas zugemischt wird.

Ausführungsbeispiele

Bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Brenners sowie einer erfindungsgemäßen Anlage zur künstlichen Alterung von Abgaskatalysatoren ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend beschrieben.

Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Brenner in Gesamtdarstellung in Schrägansicht mit Teilschnitt;

Figur 2 zeigt einen Teil des Brenners mit Brennkammer nach Figur 1 in Schrägansicht mit Teilschnitt;

Figur 3 zeigt den vorderen Bereich des Brenners nach den Figuren 1 und 2 mit Luft- versorgungsbogen in Schrägdarstellung mit Teilschnitt;

Figur 4 zeigt die mechanischen Teile zur Luftzufuhrregelung sowie den Anfang des Flammenrohrs nach den Figuren 1 bis 3 im Längsschnitt;

Figur 5 zeigt ein Prinzipbild einer erfindungsgemäßen Anlage zur künstlichen Alterung von Abgaskatalysatoren;

Figur 6 zeigt ein ausgeführtes Beispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur künstlichen Alterung von Abgaskatalysatoren in Seitenansicht.

Figur 7 zeigt ein Diagramm einer OSC-Messung an einem Katalysator.

Figur 8 zeigt ein Diagramm des ZDAKW-Katalysator-Alterungszyklusses.

In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Brenner 10 mit einer Brennkammer 11 gezeigt, der einen äußeren rotationssymmetrischen Brennermantel 12 umfaßt, der sich zwischen einem Eingangsflansch 13 und einem Ausgangsflansch 14 erstreckt und drei Längsabschnitte 16, 17, 18 mit vom Eingangsflansch zum Ausgangsflansch abnehmenden Durchmesser umfaßt, die jeweils über konische Übergangsbereiche 19, 20 miteinander verbunden sind. An den Eingangsflansch 13 ist ein Trägerflansch 15 angeschraubt, der einen äußeren Bund und einen inneren Ringansatz umfaßt, die in den folgenden Figuren näher bezeichnet sind. Der Bund zentriert den Eingangsflansch 13, an dem der Brennermantel 12 angesetzt ist. Der innere Ringansatz am Trägerflansch 15 trägt außen ein Mischrohr 21 für rückgeführtes konditioniertes Alterungsgas und erstreckt sich mit radialem Abstand über die Länge der ersten beiden Abschnitte 16, 17 des Brennermantels 12 sowie der beiden konischen Übergangsbereiche 19, 20. Vom Übergangsbereich 19 bis zum Übergangsbereich 20 jeweils ein- schließlich weist das Mischrohr 21 im wesentlichen gleichmäßig verteilte Einleitöffnungen 22 auf.

Der innere Ringansatz am Trägerflansch 15 trägt innen ein zylindrisches Flammrohr 23, das sich in der Länge im wesentlichen über den ersten Abschnitt 16 größten Durchmessers des Brennermantels 12 erstreckt. Im Flammrohr 23 sind zwei Reihen von Rezirkulationsöffnungen 24 für eine primäre Alterungsgasrezirkulation vorgesehen, die später erläutert wird.

An den Brennermantel 12 ist ein Alterungsgasrückführrohr 26 angeschlossen, das kurz hinter dem Eingangsflansch 13 in einen Ringraum 27 zwischen Brennermantel 12 und Zusatzleitrohr 21 mündet. Dieses Alterungsgasrückführrohr 26 dient der sogenannten sekundären Alterungsgasrückführung.

Dem Flammrohr 23 eingangsseitig vorgeschaltet ist eine Mischvorrichtung 25 mit einer Kraftstoffeinspritzdüse 31 und einem Luftsteuerungsapparat 32. Der Luftsteuerungsapparat 32 umfaßt eine verstellbare Dralleinrichtung und eine verstellbare Drosselblende für die Verbrennungsluft, auf die später eingegangen wird. Dem Brenner 10 vorgeschaltet und mittels eines Anschlußflansches 33 mit diesem verbunden ist ein Luftzuführkrümmer 34, der einen Innenmantel 35 und einen Außenmantel 36 hat, zwischen denen ein Schalenraum 38 für Kühlwasser ausgebildet ist. Der Luftzuführkrümmer 34 weist neben dem Anschlußflansch 33 einen Eingangsflansch auf, der hier nicht gezeigt ist. Weitere Einzelheiten zu den zuletzt genannten Teilen sind aus den folgenden Figuren ersichtlich.

Das verwendete Prinzip für die Verbrennungsführung entspricht dem eines drallstabilisierten Brenners. Die Frischluft strömt von hinten aus dem gekühlten Luftzuführkrümmer 34 in die Mischeinrichtung 25 ein. Dort teilt sich die Luftführung in eine innere Primär- und eine äußere Sekundarluftströmung. Bei der Primärluftführung strömt die Frischluft innen über die Dralleinrichtung. Dann wird sie vor einer Primärluftbohrung in der Drosselblende mit dem eingespritzten Kraftstoff vermischt und das brennfähige Kraftstoff-Luft-Gemisch gelangt in das Flammrohr 23. Bei der Sekundärluftströmung wird die Frischluft um die Dralleinrichtung

5 herumgeleitet und strömt über Sekundärluftbohrungen in der Drosselblende in das Flammrohr ein und umhüllt dabei das Kraftstoff-Luft-Gemisch, um bei der Verbrennung auch in den Randbereichen Sauerstoff zuzuführen und um einen Teil des bei der Verbrennung erzeugten Alterungsgases über die Rezirkulationsbohrungen 24 im Flammrohr 23 zurückzusaugen. Durch Änderung des

0 Öffnungsquerschnitts der Sekundärluftbohrungen in der Drosselblende kann die Luftmenge variabel teilbar durch die Dralleinrichtung (Primärluftbohrung) und um diese herum (Sekundärluftbohrungen) gesteuert werden. Damit ändert sich die Luftströmungsgesehwindigkeit am Austritt der Mischeinrichtung 25, wodurch sich ein Unterdruck an den Rezirkulationsbohrungen 24 des Flammrohres 23 einstellt. Die

5 Rezirkulationsbohrungen 24 dienen zur Stabilisierung der Flamme. Dabei wird über die Rezirkulationsbohrungen 24 Alterungsgas an der Außenseite des Flammrohres 23 angesaugt (Venturi-Effekt). Das Alterungsgas legt sich dadurch von außen wie ein Mantel um die Flamme.

:θ In Figur 2 sind gleiche Einzelheiten wie in Figur 1 mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen. In dieser Figur sind der Bund 28 und der Ringansatz 29 am Trägerflansch 15 erstmals bezeichnet. Auf dem Bund 28 ist der Flansch 13 mit dem Mischrohr 21 befestigt. Im Ringansatz 29 sitzt ein eingeschobener Trägerring 30, der den Luftsteuerungsapparat 32

!5 ebenso wie die Kraftstoffeinspritzdüse 31 trägt. Als weitere Einzelheiten des Brenners sind Drallschaufeln 41 zwischen Brennermantel 12 und Mischrohr 21 sowie eine Zündvorrichtung 45 mit zwei Elektroden 46, 47 erkennbar. Im Luftzufuhrkrümmer 34 ist ein weiterer Durchtrittsstutzen 48 für die Anschlußverbindungen der Zündvorrichtung 45 erkennbar. Weiterhin wird deutlich, daß das Flammrohr 23 eine düsenartige

50 Einziehung 42 nahe dem Luftsteuerungsapparat 32 hat, in welcher umfangsverteilte Gaszuführungslöcher 43 vorgesehen sind, über die die primäre Rezirkulationsgas- menge angesaugt wird. Die zentrale Kraftstoffeinspritzdüse 31 wird über eine nicht dargestellte Leitung mit Kraftstoff versorgt, die durch einen Durchgangsstutzen 39 im Luftzuführkrümmer 34 in letzteren eintritt. Über einen weiteren Durchgangsstutzen 40 treten eine Innenwelle 65 zur Verstellung der Dralleinrichtung und eine dazu koaxiale Hohlwelle 68 zur Verstellung der Drosselblende in den Luftzuführkrümmer 34 ein.

5 Einzelheiten zu der Luftsteuerungsanordnung 32 und deren Verstellmechanismus werden anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben.

In Figur 3 sind gleiche Einzelheiten wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugsziffern belegt. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen.

D Es ist erkennbar, daß der Trägerring 30 im Ringansatz 29 mit dem Flammrohr 23 ebenso verbunden ist wie mit dem Luftsteuerungsapparat 32, Dieser umfaßt eine erste Ringscheibe 51 mit einer Vielzahl von Luftdurchgangslöchern 52, die eine Zentralöffnung für die Aufnahme der Kraftstoffeinspritzdüse 31 aufweist. In Strömungsrichtung hinter der Ringscheibe 51 liegt eine verdrehbare Ringscheibe 53 sowie eine

5 feste Ringscheibe 54. Die beiden Ringscheiben 53, 54 sind durch eine Isolierscheibe 57 voneinander getrennt. Die Ringscheiben bilden miteinander eine Drosselblende. Sie weisen jeweils eine zentrale Austrittsöffnung 55 für die Primärluft und einen Ring von Lochblenden 56 für die Sekundärluft auf. Die Ringscheibe 53 ist mittels hier nicht erkennbarer Verstellmittel gegenüber der Ringscheibe 54 verdrehbar, so daß die

0 Lochblenden 56 in der Ringscheibe 54 gedrosselt werden können, bzw. im Durchgangsquerschnitt reduziert werden können.

Zwischen den beiden Ringscheiben 51 und 53 erstreckt sich ein zunächst zylindrischer und dann trichterförmiger Ringmantel 61 , der einen inneren primären Verbren-

»5 nungsluftstromring von einem äußeren sekundären Verbrennungsluftstromring trennt. Innerhalb des Ringmantels 61 und damit innerhalb des inneren primären Verbrennungsluftstromrings liegen umfangsverteilt verstellbare Drallklappen 62 auf radial angeordneten Drehzapfen 63, durch die der innere primäre Verbrennungsluftstromring hinsichtlich des Dralls beeinflußbar ist, während der äußere sekundäre0 Verbrennungsluftstromring durch die verstellbaren Lochblenden 56 im Volumenstrom mengenverstellbar ist.

In Figur 4 sind gleiche Einzelheiten wie in den vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Auf die vorangehende Beschreibung wird Bezug genommen. Es ist hier eine im Durchgangsstutzen 40 und in der ersten Ringscheibe 51 gelagerte Verstellvorrichtung 64 gezeigt, die eine drehbare Innenwelle 65 umfaßt, die über ein Ritzel 66 auf einen Außenzahnring 67 an der zweiten Ringscheibe 53 ein- 5 wirkt, und die eine drehbare Hohlwelle 68 umfaßt, die über ein Ritzel 69 auf einen Stellring 70 zur Verdrehung der Drallklappen 62 einwirkt. Am Stellring 70 sind Mitnehmerzapfen 60 angeordnet, die auf die Drallklappe 62 einwirken, die auf Drehzapfen 63 schwenkbar sind.

0 In Figur 5 ist ein Prinzipbild einer Anlage zur Abgaskatalysatoralterung dargestellt, die als zentrales Bauteil einen Brenner 10 gemäß der Erfindung umfaßt. Die Anlage umfaßt Teile einer Kraftstoffversorgung 71 sowie Teile einer Verbrennungsluftversorgung 81.

5 An der Kraftstoffversorgung 71 sind ein Kraftstofftank 72, eine Kraftstoffvorförder- pumpe 73 sowie eine Niederdruckkraftstoffpumpe 74 und eine Hochdruckkraftstoffpumpe 75 mit E-Motor erkennbar. Hinter der Niederdruckkraftstoffpumpe 74 ist ein Massenstromsensor 76 angeordnet. Eine Rückführschleife parallel zur Niederdruckkraftstoffpumpe 74 umfaßt ein Druckregelventil 77 und einen Kraftstoffrückkühler 78.

0 Eine Rückführschleife parallel zur Hochdruckpumpe 75 umfaßt ein Druckregelventil 79 und ein Kraftstoffrückkühler 80.

An der Verbrennungsluftversorgung 81 ist eine Luftfilter 82 und ein Massenstromsensor 83 erkennbar. Im Anschluß daran ist eine Drosselklappe 84 angeordnet sowie 5 ein Rootsverdichter 85 mit frequenzgesteuertem E-Motor. Hinter dem Verdichter 85 liegt ein Ladeluftkühler 86 im Verbrennungsluftstrang vor dem Eintritt in den Brenner 10.

Bei Zufuhr von Kraftstoff und Verbrennungsluft mit den angegebenen Mitteln 71 , 81 ιθ erzeugt der Brenner 10 nach Zündung durch eine hier nicht gezeigte Zündvorrichtung Alterungsgas, das Abgaskatalysatoren 91 , 92 und einen Dieselpartikelfilter 95 durchlaufen kann, wobei die Abgaskatalysatoren zum Beispiel TWC- oder DOC- oder SCR- oder CDPF-Katalysatoren sein können und parallel zueinander liegen. Die AI- terungshauptleitung 100 wird auf zwei Alterungsgaszweigleitungen 115, 116 zu den Abgaskatalysatoren 91 , 92 und eine mittig liegende Alterungsbypaßleitung 119 verzweigt. In den Zweigleitungen liegen Stellventile 93, 94 vor den Katalysatoren 91 , 92 und Stellventile 117, 118 hinter den Katalysatoren, mit denen die Massenströme verteilt, insbesondere gleich groß eingestellt werden können. In der Bypaßleitung 114 liegt ein Dosierventil 120 und ein Schaltventil 121 , mit denen die Größe des Bypaß- stromes und damit die Massenströme zu den Katalysatoren geregelt werden können. Vor dem Dieselpartikelfilter 95 werden die Zweigleitungen 115, 116 und die Bypaßleitung 119 wieder zur Alterungsgashauptleitung 100 zusammengeführt. Mit dem regelbaren Brenner 10 werden bestimmte Betriebszyklen durchlaufen, die der normgerechten Alterung der Abgaskatalysatoren 91 , 92 und gegebenenfalls des Dieselpartikelfilters 95 dienen.

Das Leitungsschema kann analog für die Beaufschlagung weiterer parallel geschalteter Katalysatoren ergänzt werden.

Der Hauptstrom des nachbehandelten Alterungsgases wird aus der Alterungsgashauptleitung 100 über einen Abgaskamin 101 abgeführt, während ein Teilstrom über eine sekundäre Rückführleitung 98 als abgasnachbehandeltes sekundäres Alterungsgas zum Brenner 10 zurückgeführt wird. Wahlweise kann über eine sekundäre Alterungsgasbypassleitung 114 Alterungsgas hinter dem Brenner 10 und vor der Abgasnachbehandlungsanlage abgezweigt werden und als sekundäres Alterungsgas zum Brenner zurückgeführt werden. Am Eintritt zur Rückführleitung 98 liegt ein Regelungsventil 122 für das abgasnachbehandelte Alterungsgas und in der Rückführleitung 114 liegt ein Regelungsventil 124 für das nicht-nachbehandelte Alterungsgas, mit denen die Zusammensetzung des sekundären Alterungsgases verändert werden kann. In der Rückführleitung 98 für das sekundäre Alterungsgas findet sich ein Abgaswärmetauscher 102 sowie ein Kondensatabscheider 103 mit einem steuerbaren Ablaßventil 104. Dem Kondensatabscheider 103 ist ein Massenstromsenor 105 nachgeschaltet. Daran anschließend findet sich eine Drosselklappe 106 und ein Rootsverdichter 107, der von einem frequenzgesteuerten E-Motor angetrieben wird.

Vor der Rückführleitung 98 zweigt vor deren Eintritt in den Brenner 10 eine Rück- führzweigleitung 99 ab, die in die Alterungsgashauptleitung 100 hinter dem Brenner mündet, wobei der Einmündungsstelle ein Mischer 96 nachgeschaltet ist. Diese kann zur sogenannten tertiären Alterungsgasrückführung dienen. In der Rückführzweigleitung 99 ist ein steuerbares Absperrventil 109 angeordnet. Über einen Mischer 108 können dem tertiären Alterungsgas Flüssigkeiten wie Öl oder Kraftstoff oder Fremdgase zugemischt werden, für die jeweils Stichleitungen 112, 113 zum Mischer 108 mit steuerbaren Einlaßventilen 110, 111 vorgesehen sind. Von der Rückführzweigleitung 99 geht eine Alterungsgasbypaßleitung 123 ab, die im Bypaß zur Alterungsgashauptleitung den Mischer 96 umgeht und auf zwei Zweigleitungen 125, 126 für ge- kühltes und konditioniertes Alterungsgas verzweigt wird, die jeweils in die Alterungsgaszweigleitungen 115, 116 zu den Abgaskatalysatoren 91 , 92 führen. In den Zweigleitungen 125, 126 sind jeweils Regelventile 127, 128 zur Bemessung der Zumischung von gekühltem Alterungsgas eingesetzt, mit denen die Alterungsgastemperatur in den Abgaskatalysatoren beeinflußt werden kann, insbesondere abgesenkt werden kann.

In Figur 6 ist eine ausgeführte Anlage in Seitenansicht gezeigt, die gegenüber er in Figur 5 als Schemazeichnung gezeigten Anlage vereinfacht ausgeführt ist.

Es ist ein Brenner 10 erkennbar, der mit einem Isoliermantel 50 umkleidet ist und dem zwei hier in Reihe geschaltete Abgaskatalysatoren 91 ', 92' sowie ein Dieselpartikelfilter 95 nachgestaltet sind. Die Alterungsgashauptleitung 100 mündet in einen Abgaskamin 101. Von dieser Hauptleitung zweigt eine Rückführleitung 98 ab, in der ein Alterungsgasrückkühler 102 angeordnet ist. Im Anschluß an den Rückkühler ist ein Kondensatabscheider 103 mit einem Ablaßventil 104 angeordnet. Diesem nachgeordnet sind in der Rückführleitung 98 ein Massenstromsensor 105 und eine Drosselklappe 106 vorgesehen. Hinter der Drosselklappe 105 ist in der Leitung 98 ein Rootsverdichter 107 erkennbar, der von einem frequenzgesteuerten E-Motor antreibbar ist. Im Anschluß an den Rootsverdichter mündet die Rückführleitung 98 seit- lieh in den Brenner 10 im Anfangsbereich der Brennkammer. Während die Kraftstoffversorgungsanlage hier nicht dargestellt ist, ist von der Luftversorgungsanlage 81 der Luftfilter 83, die Drosselklappe 84, der Rootsverdichter 85, der von einem frequenzgesteuerten E-Motor antreibbar ist, und der Ladeluftkühler 86 erkennbar. Figur 7 zeigt das Diagramm einer beispielhaften OSC-Messung nach Lambda- Werten über die Zeit, gemessen mit einer vor dem Katalysator installierten Lambda- Sonde, deren Meßsignal als „Lambda vor Kat" bezeichnet ist, und mit einer hinter dem Katalysator installierten Lambda-Sonde, deren Meßsignal als „Lambda nach Kat" bezeichnet ist. Um eine Aussage über den Alterungsgrad eines Katalysators treffen zu können, wird eine OSC-Messung durchgeführt. Diese OSC-Messung dient der Bestimmung der Sauerstoffspeicherkapazität eines Katalysators, woraus dann ein Alterungszustand abgeleitet werden kann. Je älter der Katalysator, desto geringer die Sauerstoff-Speicher-Kapazität. Die OSC-Messung wird sowohl in Serienfahrzeugen als auch in der künstlichen Katalysatoralterung eingesetzt.

Die OSC-Messung wird im stationären Zustand von Abgastemperatur und - Massenstrom durchgeführt. Dazu werden vor und nach dem Katalysator Lambdasi- gnale gemessen. Der Brenner wird nun so mit Kraftstoff gespeist, das das Abgas innerhalb kurzer Zeit von einem fetten Gemisch (Lambda < 1) auf ein mageres Gemisch (Lambda > 1) springt, wobei der angestrebte Verlauf durch die Kurve „Lambda Soll" dargestellt ist. Die Phasenverschiebung zwischen Vor-Katalysatorsignal „Lambda vor Kat" und Nach-Katalysatorsignal „Lambda nach Kat" in proportional zum im Katalysator gespeicherten Sauerstoff. In der Figur 7 ist eine solche Messung am Ka- talysatoralterungsprüfstand dargestellt.

Der hier gemessene Katalysator hat noch eine hohe Sauerstoffspeicherfähigkeit. Es ist deutlich zu erkennen, daß das Lambdasignal nach dem Katalysator (Lambda nach Kat) langsamer ansteigt, als das Lambdasignal vor dem Katalysator (Lambda vor Kat) und erst Sekunden später seinen Höchstwert erreicht. Ein Grenzkatalysator zeigt dagegen ein anderes Verhalten. Schon kurz nach Erreichen des Höchstwertes des Lambdasignals vom Sensor vor dem Katalysator würde auch der Lambdawert am Sensor nach dem Katalysator Maximalwerte erreichen. Beide Lambdasignale würden nahezu gleichzeitig ansteigen.

Figur 8 zeigt das Diagramm des ZDAKW Zyklus, der vom Abgaszentrum der Deutschen Automobilindustrie (ADA) entwickelt wurde. Es ist die Solltemperatur T-soll über der Zeit dargestellt, wobei der Sollwert des Verbrennungsluftverhältnisses λ-soll gleich 1 ist, mit Ausnahme der Phasen der Schubabschaltung, in denen das Verbrennungsluftverhältnis λ größer gleich 8 eingestellt wird. Dieser Zyklus setzt sich im wesentlichen aus einer Hochtemperaturphase mit jeweils fünf Schubabschaltungen und einer Vergiftungsphase mit drei Temperatumiveaus zusammen. Bei der Schubabschaltung wird kurzzeitig die Kraftstoffeinspritzung unterbrochen und parallel der Ab- gasrückführmassenstrom verringert. Dadurch wird der Katalysator mit Sauerstoff gespült und ein Lambdawert von größer gleich 8 eingestellt. Bei dem anschließenden Hochfahren des Abgasrückführmassenstroms und Wiedereinsetzen der Einspritzung steigt das Lambda wieder auf den geregelten Wert von λ gleich 1. Dieser Vorgang soll den Fahrbetrieb bei plötzlicher Gaswegnahme und Gaszugabe simulieren. In der Vergiftungsphase wird bei geringen Temperaturniveaus ein etwas fetteres Gemisch des Abgases über den Katalysator geleitet. Dies hat zur Folge, daß sich die kataly- tisch aktive Schicht durch chemische Vergiftung verringert.

Die Hochtemperaturphase von je 600 sec Dauer wird 48 mal durchfahren. Die Vergiftungsphase von je 30 min Dauer wird 8 mal durchfahren, der Gesamtzyklus dauert 96 h. Der Gesamtzyklus entspricht einer Laufstrecke von 80.000 km Fahrzeugbetrieb.

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Bezugszeichenliste

10 Brenner

11 Brennkammer

12 Brennermantel

13 Eintrittsflansch

14 Austrittsflansch

15 Trägerflansch

16 erster Abschnitt (12)

17 zweiter Abschnitt (12)

18 dritter Abschnitt (12)

19 Übergangsabschnitt 0 Übergangsabschnitt 1 Mischrohr 2 Einleitöffnung 3 Flammrohr 4 Rezirkulationsöffnung 5 Mischeinvorrichtung 6 Alterungsgasrückführrohr 7 Ringraum 8 Bund 9 Ringansatz 0 Trägerring 1 Kraftstoffeinspritzdüse 2 Luftsteuerungsapparat 3 Trägerflansch 4 Luftzuführkrümmer 5 Innenmantel 6 Außenmantel 7 Flansch 8 Schalenraum 9 Durchtrittsstutzen 0 Durchgangsstutzen Drallschaufel

Düsenabschnitt

Austrittsöffnung

Zündeinrichtung

Elektrode

Elektrode

Durchtrittsstutzen

Isoliermantel

Ringscheibe

Luftdurchgangsloch

Ringscheibe (verdrehbar)

Ringscheibe (fest)

Austrittsöffnung (Primärluft)

Lochblenden (Sekundärluft)

Isolierscheibe

Trägerring

Flansch

Mitnehmerzapfen

Ringmantel, Trichter

Drallklappe

Zapfen

Doppelverstellvorrichtung

Innenwelle

Ritzel

Außenzahnring

Hohlwelle

Ritzel

Stellring

Kraftstoffversorgungsanlage

Kraftstofftank

Kraftstoffvorförderpumpe 74 Niederdruckkraftstoffpumpe

75 Hochdruckkraftstoffpumpe

76 Massenstromsensor

77 Druckregelventil

78 Kraftstoffkühler

79 Druckregelventil

80 Kraftstoffkühler

81 Verbrennungsluftversorgungsanlage

82 Luftfilter

83 Massenstromsensor

84 Drosselklappe

85 Verdichter

86 Ladeluftkühler

91 Abgaskatalysator

92 Abgaskatalysator

93 Drosselklappe

94 Drosselklappe

95 Dieselpartikelfilter

96 Mischvorrichtung

97 Alterungsgasleitung

98 Alterungsgasrückführleitung (sekundär)

99 Alterungsgasrückführleitung (tertiär)

100 Alterungsgashauptleitung

101 Kamin

102 Abgasrückkühler

103 Kondensatabscheider

104 Ablaßventil

105 Massenstromsensor

106 Drosselklappe

107 Verdichter

108 Mischer

109 Absperrventil

110 Einlaßventil 111 Einlaßventil

112 Stichleitung

113 Stichleitung

114 Alterungsgasbypaßleitung

115 Alterungsgaszweigleitung

116 Alterungsgaszweigleitung

117 Stellventil

118 Stellventil

119 Alterungsgasbypaßleitung

120 Schaltventil

121 Dosierventil

122 Regelungsventil

123 Alterungsgasbypaßleitung

124 Regelungsventil

125 Zweigleitung

126 Zweigleitung

127 Regelventil

128 Regelventil