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Verfahren zur Regelung der Oxydation von aus einer Treibstoffverbrennung mit schwankender Belastung abströmenden Auspuffgasen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Oxydation von aus einer Treibstoffverbren- nung mit schwankender Belastung abströmenden Auspuffgasen unter Verwendung einer Hilfsvorrichtung, insbesondere einer bestimmten Strahlpumpe, in der die Menge des zu fördernden Strömungsmittels im wesentlichen unabhängig von der Menge des der Strahlpumpe zugeführten Treibmittels verändert oder gesteuert werden kann. Die Erfindung wird beispielsweise mit Vorteil auf die Oxydation der Abgase von mit Funkenzündung arbeitenden Benzinmotoren, von Dieselmotoren, Butanmotoren u. dgl. angewen- det.
Es ist sehr erwünscht, aus den Abgasen von Fahrzeugen bestimmte Komponenten zu entfernen. Die unvermeidlich unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffkraftstoffen in Otto-oder Dieselmotoren führt zur Bildung beträchtlicher Mengen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und andern unerwünschten Abfallprodukten, die durch den Auspuff in die Atmosphäre abgegeben werden. Angesichts der, besonders in den Städten, ständig zunehmenden Dichte der Kraftfahrzeuge, kann die Abgabe dieser unerwünschen Produkte in die Atmosphäre beträchtliche Werte erreichen. Es ist bekannt, dass sich diese Verbrennungsprodukte unter dem Einfluss des Sonnenlichts mit dem Luftsauerstoff unter Bildung von Smog umsetzen. Zu den genannten Abfallprodukten gehören beispielsweise ungesättigte Kohlenwasserstoffe.
Kohlenmonoxyd, Aromaten, Spuren von teilweise oxydierten Kohlenwasserstoffen wie Alkoholen, Ketonen, Aldehyden, Säuren und Oxyden des Stickstoffes und Schwefels. Die Verfahren zur Umwandlung der Abgase von Fahrzeugen in harmlose Stoffe, wie z. B. Kohlendioxyd und Wasser, können in zwei gro- sse Gruppen eingeteilt werden : 1. Katalytische Umwandlung und 2. Nichtkatalytische oder thermische Umwandlung. Bei den katalytischen Verfahren werden die den Motor verlassenden Abgase mit oder ohne Erhitzung oder Kühlung mit einem geeigneten Umwandlungskatalysator in Berührung gebracht und die Umwandlungsprodukte der dabei erfolgenden Reaktion in die Atmosphäre abgegeben. Es erfolgt dabei eine mehr oder weniger vollständige Oxydation der in den Abgasen noch enthaltenen verbrennlichen Substanzen.
Zur Durchführung dieser Verbrennung muss dafür gesorgt werden, dass in den Abgasen vor der Berührung mit dem Katalysator eine genügende Menge Sauerstoff in der Form von Luft oder einem andern sauerstoffhaltigen Gas enthalten ist. Bei den thermischen Verfahren werden die Abgase in Anwesenheit von Sauerstoff einfach auf eine so hohe Temperatur erhitzt oder auf einer so hohen Temperatur gehalten, dass sie ohne Verwendung eines Katalysators verbrennen. Bei beiden Verfahren muss in den Ab gasen Sauerstoff oder Luft mindestens in einer stöchiometrischen Menge, vorzugsweise im Überschuss enthalten sein. Dieser Luftüberschuss kann nicht durch eine geeignete Einstellung des Vergasers der Brennkraftmaschine erzielt werden, weil dies den Wirkungsgrad und/oder die LeistungdesMotorsbeträchtlich herabsetzen würde.
Daher setzt man die erforderliche Luftmenge den Abgasen gewöhnlich an einer Stelle in der Abgasleitung zwischen den Auspuffventilen des Motors und der Zone der katalytischen oder thermischen Umwandlung zu. Zum Unterschied von der Primärluft, die vom Motor durch den Vergaser
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form ist die Fangdüse 13 als sich erweiternde Düse dargestellt, doch kann sie auch als sich erst verengende und dann erweiternde Düse ausgebildet sein, oder in Fällen, in denen ein Druckrückgewinn nicht wichtig ist, einfach aus einem geraden Rohrstück bestehen. Der stromabwärts gelegene Teil der Fangdüse 13 steht mit einem nicht dargestellten, geeigneten Reaktions-oder Umwandlungsgefäss in Verbindung, in dem die Konvertierung der Abgase erfolgt.
Zweckmässig wird der Injektor mit der Umwandlungsvorrichtung einstückig ausgebildet. Beispielsweise kann das Umwandlungsgefäss um die Fangdüse 13 herum angeordnet und mit ihr hermetisch dicht verbunden sein. Diese Konstruktion ist vorteilhaft, wenn in der Umwandlungsvorrichtung eine
Schicht eines feinteiligen Katalysators oder ein anderer fester Kontaktstoff enthalten ist, weil das aus dem heissen Abgas und der Luft bestehende Gemisch dann durch indirekten Wärmeaustausch durch die Wände der Fangdüse 13 zur Vorerhitzung einer anfägnlich kalten Kontaktschicht verwendet werden kann, wodurch die zur Erreichung der Aktivierungstemperatur des Katalysators oder der für die thermische Umwandlung erforderlichen Temperatur nach dem Betriebsbeginn in kaltem Zustand erforderliche Zeit herabgesetzt wird.
Im Betrieb wird das in die Leitung 1 eintretende Abgas durch die Öffnung 3 zu einem Strahl von herabgesetztem wirksamen Querschnitt verengt, so dass seine Geschwindigkeit auf Kosten des Drucks erhöht wird. Als wirksame Querschnittsfläche des Strahls wird jene Fläche bezeichnet, die bei Multiplikation mit der in üblicher Weise gemessenen Durchtrittsgeschwindigkeit des Strahls die volumetrische Gesamtströmungsmenge des Gases unter den an der Stelle der Geschwindigkeitsmessung herrschenden Temperatur-und Druckbedingungen ergibt. Die erhöhte Geschwindigkeit des Abgasstrahls bewirkt, dass unmittelbar stromabwärts der Öffnung 3 ein wesentlich niedrigerer Druck herrscht. Bei entsprechender Ausbildung der Düse kann dieser Druck unter dem atmosphärischen Druck liegen, so dass durch den Stutzen 12 Luft in den Injektor hineingesaugt wird.
Das so erhaltene Abgas-Luft-Gemisch strömt in die Fangdüse 13 und durch sie hindurch und wird in ihr weiter gemischt und auf einen höheren Druck gebracht, weil in der sich erweiternden Düse die Geschwindigkeitsherabsetzung mit relativ hohem Wirkungsgrad erfolgt. Wenn die Leitung 11 an die Auspuffsammelleitung des Motors angeschlossen ist, wird die Betätigungsvorrichtung 9 in Abhängigkeit von dem stromaufwärts der Düsenmündung 3 herrschenden Abgasdruck betätigt.
Bei einer kleinen Abgasmenge ist der stromaufwärts herrschende Druck niedrig und es bewegt die Betätigungsvorrichtung 9 die Scheibe 4 in die in Fig. 1 und 2 gezeigte Drosselstellung, in der die Scheibe die Düsenmündung 3 drosselt, indem sie einen Ringraum abgrenzt, der im Querschnitt kleiner ist als die Düsenmündung. Auf diese Weise wird die wirksame Querschnittsfläche des Gasstrahls herabgesetzt und damit seine Geschwindigkeit vergrössert, und mehr Luft durch den Stutzen 12 angesaugt. Bei einer grossen Abgasmenge ist der stromaufwärts herrschende Druck hoch-er nimmt etwa mit dem Quadrat der Stro-
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zu - und es dreht sodann die Betätigungsvorrichtung 9 die Scheibe 4 mittels des Zahnstangentrie-in der Auspuffsammelleitung auf einem angemessen niedrigen Wert gehalten.
Die wirksame Querschnittsflä-. che des Gasstrahls wird auf diese Weise vergrössert ; da jedoch die Gesamtmenge gross ist, hat der Strahl trotzdem eine so hohe Geschwindigkeit, dass eine Förderung der erforderlichen Luftmenge gewährleistet ist.
Die Betätigungsvorrichtung 9 kann als Proportionalregler ausgebildet sein, so dass der Winkel der Scheibe 4 eine kontinuierliche Funktion der Regelgrösse, in diesem Fall des stromaufwärts herrschenden Druckes ist. Die Betätigungsvorrichtung 9 kann auch als Springregler mit 2 Stellungen ausgebildet sein, so dass die Scheibe 4 entweder vollständig geöffnet oder vollständig in der Drosselstellung ist. Diese Type wird bevorzugt, wenn das Drosselorgan für die Düsenmündung die Form einer Scheibe hat, weil bei einer stationären Stellung der Scheibe in einem Winkel zwischen 0 und 900 das Strömungsbild des Gasstrahls gewöhnlich verändert wird, was die Menge der eingeleiteten Luft in nachteiliger Weise herabsetzen kann.
Fig. 3a und 3b zeigen eine weitere Form eines zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Injektors mit einer andern Form eines drehbaren Drosselorgans für die Düsenmündung. Gemäss Fig. 3a besteht das Drosselorgan aus zwei verjüngten, am Ende offenen Hülsenteilen 14, von denen jeder durch Zapfen 15 schwenkbar mit dem Injektor verbunden ist. Diese Zapfen 15 erstrecken sich quer durch den Injektor und sind an den Wänden der Leitung 1 befestigt. Die Hülsenteile 14 können kegelstumpfförmig, parabelförmig, hyperbelförmig oder nach jeder andern gewünschten Drehkörperfläche ausgebildet sein, die sich der Form der Düse 2 allgemein anpassen kann. In Fig. 3a sind die Hülsenteile 14 in der Drosselstellung gezeigt, in der sie lösbar aneinanderliegen und einen die Düse 2 übergreifenden Fortsatz derselben bilden.
Die Austrittsöffnung der Hülsenteile 14 ist im Querschnitt kleiner als die Düsenmün-
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dung 3. Ein derartiges Drosselorgan für die Düsenmündung hat den Vorteil, dass ein äusseres Betätigungs- mittel, wie die Vorrichtung 9 der Fig. 1 nicht erforderlich ist. Die Hülsenteile 14 werden durch die Kraft des Abgases aufgedrückt, das aus der Düsenmündung 3 austritt. In Fig. 3b sind die Hülsenteile 14 in ihrer vollkommen geöffneten Stellung gezeigt, in der sie aus der Düsenmündung 3 bei grosser Abgasmenge im wesentlichen ganz herausgedreht sind. Bei kleinerwerdender Abgasmenge können die Hülsenteile durch nicht gezeigte Rückstellfedern in ihre Drosselstellung zurückgedreht werden.
Diese Federn können die
Rückkehr der Hülsenteile in die Drosselstellung unterstützen und bestimmen die Abhängigkeit der Stel- lung der Hülsenteile von der Strömungsmenge. Da die Hülsenteile durch das Abgas selbst bewegt werden können, wird die wirksame Querschnittsfläche des Abgasstrahls in Abhängigkeit von der Lineargeschwin- digkeit des durch die Leitung 1 und die Düse 2 tretenden Gases derart geregelt, dass die genannte Fläche bei niedriger Geschwindigkeit verkleinert und bei hoher Geschwindigkeit vergrössert wird.
Bei einer Variante des in Fig. 3a und 3b dargestellten Drosselorgans für die Düsenmündung ist nur ein drehbarer Hülsenteil vorhanden, der wie der obere Hülsenteil der Fig. 3a ausgebildet ist. Hier ist der un- tere Hülsenteil ein fester Fortsatz oder ein Teil der Düse 2. Bei einer kleinen Abgasmenge liegt der obere Hülsenteil auf dem unteren Hülsenteil auf und bildet mit ihm eine verengte kreisförmige Austrittsöffnung. Bei zunehmender Strömungsmenge wird der obere Hülsenteil von dem unteren Hülsenteil abgehoben, so dass eine unrunde Öffnung von grösserem Querschnitt gebildet wird.
Jeder der vorstehend beschriebenen Injektoren kann auch dazu verwendet werden, in den Abgasstrom andere Materialien als Luft gegebenenfalls zusammen mit dieser einzuleiten. Beispielsweise kann eine chemische Behandlung der Gase erwünscht sein. In diesem Fall kann an den Stutzen 12 ein Vorratsbehälter mit einem geeigneten chemischen Mittel angeschlossen sein. Da die Kurbelgehäusedämpfe eines Verbrennungsmotors, welche die am Kolben durchgeblasenen Gase enthalten, durch die Kurbelgehäuseentlüftung in die Atmosphäre austreten, und diese verunreinigen können, kann es oft vorteilhaft sein, das Kurbelgehäuse beispielsweise über die Entlüftung mit dem Injektor zu verbinden, damit diese Dämpfe zusammen mit Luft in die Umwandlungszone gelangen.
Das erfindungsgemässe Verfahren betrifft zwar insbesondere die Einleitung von Sekundärluft in das Abgas eines Verbrennungsmotors und sein grösster Vorteil liegt in der Lösung der dabei auftretenden besonderen Probleme, doch soll das erfindungsgemässe Verfahren nicht auf diese Anwendung beschränkt sein.
Andere Anwendungen sind die katalytische Oxydation der Rauchgase von Industrieöfen oder Regeneratoren, bei denen die Menge dieser Gase und/oder ihr Gehalt an verbrennlichen Stoffen schwankt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Regelung der Oxydation von aus einer Treibstoffverbrennung mit schwankender Belastung abströmenden Auspuffgasen, bei dem Luft für die Oxydation durch die Auspuffgase bei deren Durchfluss als Strahl durch eine Injektionszone in eine zur Oxydationszone führende Diffusionszone hinein angesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenverhältnis der angesaugten Luft zu den Auspuffgasen bei Abfallen des Auspuffgasflusses durch Verminderung der wirksamen Querschnittsfläche des Strahles vergrössert und bei Ansteigen des Auspuffgasflusses durch Vergrösserung der wirksamen Querschnittsfläche des Strahles vermindert wird.