-
Die brennbaren Bestandteile der Abgase von Motoren, insbesondere Automobilmotoren,
enthalten zum Teil giftige Bestandteile, was unerwünscht ist. Man hat bereits vorgeschlagen,
die brennbaren Bestandteile (CO, H2, C., H") der Abgase durch katalytische Nachverbrennung
im Auspuffrohr zu beseitigen. Eine solche Maßnahme bedingt ein relativ hohes Gewicht
und einen großen Raumbedarf der Vorrichtung. Weiterhin muß .der relativ kostspielige
Katalysator laufend erneuert werden.
-
Es sind ferner Verfahren und Vorrichtungen zum Nachverbrennen der
brennbaren Bestandteile von motorischen Abgasen bekannt, bei denen den Abgasen Luft
zugeführt und das Gemisch anschließend gezündet wird. Dabei ist es wichtig, daß
das mit Nachverbrennungsluft angereicherte Abgas vor der Verbrennung auf Zündtemperatur
gebracht wird. Diese Erhitzung wird durch elektrische Zündvorrichtungen, d. h. durch
Energiezufuhr von außen erreicht. Das geschieht mit Zündkerzen oder indem der Katalysator
unmittelbar erhitzt wird, z. B. mit Streifen elektrischer Widerstände.
-
Bei anderen bekannten Vorrichtungen zum Verbrennen der Abgase von
Explosionskraftmaschinen wird dem Abgas zusätzlich frischer Brennstoff zugeführt.
Um dies zu vermeiden, ist auch schon vorgeschlagen, den Verbrennungsraum so dicht
an die Auspuffföfnung der Zylinder zu verlegen, daß die Abgase noch im brennenden
Zustand mit Luft vermischt werden. Nach einer anderen Lösung wird den Abgasen zunächst
Luft zugeführt und diese durch verschiedene Einbauten intensiv mit den Abgasen vermischt.
Wieder wird durch eine Zündvorrichtung für die Zufuhr der notwendigen Energie von
außen gesorgt.
-
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Nachverbrennen von
Abgasen aus Verbrennungsmotoren, die Zuführungen für die Abgase und für die eine
Verbrennung unterstützenden Gase sowie eine Zündeinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zündeinrichtung als an sich bekanntes Hitzestaurohr ausgebildet ist. Die
Verbrennungsluft wird gegen den überdruck in der Abgasleitung eingeführt und das
nunmehr zündfähige Gemisch auf die relativ hoch liegende Zündtemperatur gebracht.
In dem Hitzestaurohr erfolgt die Erwärmung der Verbrennungsluft ohne äußere Energiezufuhr,
z. B. Zündkerzen u. dgl. Durch den erhöhten Druck wirkt das motorische Abgas als
Fanggas, während die eingeführte Verbrennungsluft als Treibmittel dient, so daß
eine Regulierung der Treibmittelgeschwindigkeit unabhängig von der Drehzahl des
Motors möglich wird. Außerdem ist es möglich, den Abgasen für die Nachverbrennung
relativ große Luftmengen zuzuführen, so daß alle brennbaren Teile der Abgase mit
Sicherheit erfaßt und der Nachverbrennung unterworfen werden. Die erfindungsgemäße
Anordnung ist raum- und kostensparend aufgebaut und kann an jedem Abgasrohr angeordnet
werden, ohne daß die Motorleistung beeinträchtigt oder die Batterie durch Energieentnahme
belastet wird.
-
Das Einführen von die Verbrennung unterstützenden Gasen erfolgt vorteilhaft
mittels eines Ejektors, der in der Abgasleitung zum Einsaugen von Luft oder anderen
Gasen eingebaut ist. Durch den Ejektor läßt sich mit Hilfe des als Treibgas dienenden
Motorabgases atmosphärische Luft oder andere Gase in das unter einem bestimmten
überdruck stehende Auspuffrohr einsaugen. Es wird dadurch ein verbrennungsfähiges
Gemisch gebildet. Je nach dem Betriebszustand ergeben sich Abgastemperaturen hinter
dem Motor, die so hoch sind, daß das Abgas-Luft-Gemisch zündfähig ist. Statt Luft
kann man auch noch andere Gase, z. B. Sauerstoff, oder (sonstige geeignete) auch
brennbare Gasgemische ansaugen lassen, die die Verbrennung unterstützen und bei
den verschiedenen Betriebszuständen des Motors aufrechterhalten und regulieren.
Um sicherzustellen, daß die für die Zündung notwendige Temperatur in dem Nachverbrenner
bei den Abgasen erreicht wird, kann eine Heizquelle in der Vorrichtung zum Nachverbrennen
vorgesehen werden. Vorteilhaft ist eine solche Heizquelle, die keiner Zuführung
der Energie von außen bedarf. Erfindungsgemäß wird hierzu die Anordnung eines Hitzestaurohres
zur Erhöhung der Abgastemperatur vorgeschlagen. Ein solches Stau-oder Resonanzrohr,
dessen in Strömungsrichtung der Abgase liegendes Ende geschlossen ist, wird durch
das ständige Anströmen der Abgase stark erhitzt, wodurch die Abgase mit den brennbaren
Bestandteilen in dem Nachverbrenner auf die erforderliche Zündtemperatur gebracht
werden. Statt eines Hitze-Staurohres kann man auch mehrere davon oder einen drehsymmetrischen
Resonanzhohlraum vorsehen. Vorteilhaft befinden sich das bzw. die Staurohre in dem
Diffusorteil des Ejektors. Weiterhin wird das Auspuffrohr zweckmäßig wärmeisoliert
ausgeführt.
-
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die brennbaren Bestandteile
der Abgase direkt verbrannt werden. Hierfür können dem Abgas die die Verbrennung
unterstützenden Gase, z. B. Luft, Sauerstoff und gegebenenfalls auch andere Brenngase,
unter Druck zugeführt werden. Ferner soll das unter Druck stehende Gas in erwärmtem
Zustand mit dem Abgas vermischt werden. Auf diese Weise ist es möglich, daß bei
der direkten Nachverbrennung der brennbaren Bestandteile der Motorabgase relativ
große Luftmengen den Abgasen für die Nachverbrennung zugeführt werden können, so
daß alle brennbaren Teile der Abgase mit Sicherheit verbrannt werden. Die zur Verbrennung
dienende Luft kann durch einen Verdichter an sich beliebiger Art unter Druck gebracht
werden. Hierbei kann ein Kolbenverdichter, ein Rotationsgebläse oder Turbogebläse
verwendet werden.
-
Die zur Verbrennung dienende Druckluft wird gegen den überdruck im
Abgasrohr eingeführt, wobei das brennbare Abgas-Luft-Gemisch auf die relativ hohe
Zündtemperatur gebracht werden muß. Durch die Kompression der Verbrennungsluft erhält
man bereits erhitzte Druckluft. Hierbei ist es jedoch zweckmäßig, daß die Druckluft
im Abgasrohr durch die entgegenströmenden heißen Abgase noch weiter aufgeheizt wird.
Kurz vor der Vermischung von Druckluft und Abgas läßt man beide Medien mittels Düsen
gegen die Bohrung halboffener Staurohre bzw. Resonanzrohre oder Resonanzhohlräume
expandieren, die diese Gase - oder einen Teil davon - über die Zündtemperatur erhitzen
und damit die Verbrennung einleiten.
-
Man kann hierbei so vorgehen, daß ein Teil des Druckgases durch von
dem Druckgas und/oder dem Abgas beaufschlagte Hitzestaurohre vorgewärmt wird. Das
Druckgas und das Abgas kann vor den Hitzestaurohren zusammentreffen. Eine Vermischung
dieser Gase ist aber auch nach Passieren der Hitzestaurohre
möglich.
Ferner ist es möglich, daß Druckgas und Motorabgas mittels eines Ejektors vermischt
werden, wobei als Treibmittel jeweils dasjenige Gas von höherem Druck dient.
-
Die Vorwärmung der Druckluft der des die Verbrennung unterstützenden
Druckgases durch das Abgas erfolgt vorteilhaft im Gegenstromprinzip. Die Druckgasleitung
kann hierbei in der Achse der Abgasleitung liegen und wird von der Misch- und Verbrennungszone
ringförmig umgeben. Man kann die Anordnung auch so treffen, daß die Druckgaszuführungsleitung
die Misch- und Verbrennungszone ringförmig umgibt. Für das Abgas und das Druckgas
können getrennte Hitzestaurohre vorgesehen sein, wobei das Hitzestaurohr auch ringförmig
als Rotationshohlraum ausgebildet sein kann.
-
Bei einer weiteren Ausführung des Preßluft-Abgasbrenners werden Druckluft
und Motorabgase vor der Entspannung in den Hitzestaurohren, d. h. also unter Druck
miteinander vermischt. Hierbei strömt die Druckluft durch die Ejektordüsen in den
Vermischungsraum ein. Dies hat den Vorteil, daß ein Zurückschlagen der Preßluft
in die Motorzylinder vermieden wird.
-
Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert.
-
F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Nachverbrennen
der Abgase von Motoren im Längsschnitt; F i g. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie
11-II der ; Fig.l; F i g. 3 zeigt eine Ausführung des Ejektors mit drehsymmetrischem
Resonanzhohlraum; F i g. 4 zeigt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit zentralem
Zufuhrrohr für die Druckluft und mit einer Aufheizung eines Teils der Zusatzluft
durch getrennte Hitzestaurohre. im Längsschnitt der Auspuffleitung; F i g. 5 zeigt
eine weitere Ausführungsform für die Zufuhr der Zusatzluft und die Anordnung der
Hitzestaurohre für Abgas und Zusatzluft, ebenfalls im Längsschnitt; F i g. 6 veranschaulicht
eine Vorrichtung zur Vermischung von Zusatzluft und Motorabgas unter Druck bei Anordnung
eines Ejektors mit Druckluft als Treibmittel.
-
In der Abgasleitung 1 einer Brennkraftmaschine ist ein Ejektor 2 eingebaut,
der die Aufgabe hat, Verbrennungsluft gegen den Überdruck in der Abgasleitung anzusaugen.
Zum engsten Querschnitt des Ejektors 2 führen Bohrungen oder Kanäle 3, die mit der
Atmosphäre in Verbindung stehen können. Man kann aber auch ein anderes Gas an die
Kanäle 3 anschließen, z. B. Sauerstoff oder sonstige geeignete brennbare Gase, mit
denen die Verbrennung aufrechterhalten oder geregelt werden kann. Der Ejektor 2
ist zweckmäßig mittels der Flansche 4 zwischen den Flanschen 5 der Abgasleitung
1 eingesetzt.
-
Um das in dem Nachbrenner 2 erzeugte Abgas-Luft-Gemisch mit Sicherheit
auf der Zündtemperatur zu halten, dient ein im Ejektor 2 angeordnetes Staurohr 6,
das zum Abgasstrom hin offen und am anderen Ende geschlossen ist. Statt eines Hitzestaurohrs
6 können auch deren mehrere, auf einem Kreis verteilt, oder ein drehsymmetrischer
Resonanzhohlrsum angeordnet werden. Das Hitzestaurohr 6 wird durch die Stege 7 gehalten.
Das Staurohr 6 nimmt durch das ständige Anströmen der Abgase sowie durch Schwingungen
im Hohlraum eine hohe Temperatur an, wodurch die durch den Ejektor strömenden Gase
auf hohe Temperatur gebracht werden.
-
Das im Diffusor des Ejektors vorbereitete Abgas-Luft-Gemisch gelangt
dadurch einwandfrei zur Zündung. Da die Strömungsgeschwindigkeit auf die Wärmeentwicklung
im Staurohr einen bestimmten Einfluß ausübt, ist eine Anordnung zweckmäßig, bei
der der Querschnitt der Ausström-Abgasdüse verändert werden kann. Im engsten Querschnitt
des Ejektors kann hierzu eine im Durchmesser sich vergrößernde oder verringernde
Blende od. dgl. eingebaut werden, deren Verstellung in Abhängigkeit von der Motorleistung
bzw. der Strömungsgeschwindigkeit in der Abgasleitung regulierbar sein kann. Auf
diese Weise ist es möglich, das Staurohr stets auf einer höchstmöglichen Temperatur
zu halten.
-
Damit die Abgase bis zur Nachverbrennung möglichst heiß bleiben, wird
die Abgasleitung 1 mit einer Wärmeisolation 8 versehen. Ein weiteres Mittel zur
sicheren Erreichung des Zündpunkts besteht darin, daß man die vom Ejektor angesaugten
Gase vorher vorwärmt, zweckmäßig durch das verbrannte Abgas.
-
Bei der Ausführungsform der F i g. 4 ist in einer Erweiterung 11 der
Abgasleitung 10 das Zufuhrrohr 12 für die Zuführung der Zusatzluft zentral angeordnet.
Dieses Rohr 12 führt in Gegenstromrichtung bis kurz vor das Abgasrohr 10, wobei
das letztere mit einem düsenförmigen Mündungsstück 10 a versehen ist. Diesem gegenüber
ist das Hitzestaurohr 13 für die Beaufschlagung durch das Abgas angeordnet, während
das Hitzestaurohr 14 für die Beaufschlagung durch die vorgewärmte Zusatzluft diesem
Strom entgegengerichtet ist, wobei die Rohre 13, 14
in einer Flucht liegen.
Zu dem Hitzestaurohr 14 führt ein düsenartiges Mundstück 12 a des Rohrs
12.
-
Das durch die Auspuffleitung 10 gelangende Abgas führt zunächst auf
das Hitzestaurohr 13 und außerdem zur Mündung des die Zusatzluft führenden Rohrs
12, wobei Abgas und Zusatzluft sich im Raum 15 vermischen und die brennbaren Bestandteile
in diesem Raum 15 zugleich verbrennen. Durch die Verbrennungszone 15 a wird
die im Rohr 12 anströmende Zusatzluft entsprechend vorgewärmt und dann an das Hitzerohr
14 geführt. Ein kleiner Teil der Zusatzluft wird mit Hilfe eines die Resonanzrohre
umschließenden Führungsrohrs 17, das aus isolierendem Material (Keramik) besteht
und den Wärmetausch dieser Teilstrommenge mit der relativ kalten Hauptluftmenge
verhindert, den Resonanzrohren entlangführt und dabei über die Zündtemperatur erhitzt.
Das Heißluftführungsrohr 17 kann auch mit kleinerem Durchmesser ausgebildet sein
und innerhalb der Resonanzrohre 13,14 liegen. In diesem Fall besteht dazu dieses
Führungsrohr aus gut leitendem Material (Metall) und die Resonanzrohre 13,14 aus
Keramik. Der größere Teil der Zusatzluft gelangt durch den die Hitzestaurohre
13 und 14 umgebenden ringförmigen Raum zur Austrittsstelle des Abgases
aus der Auspuffleitung 10. Das Ganze ist mit einer Wärmeisolierung 16 versehen.
-
Bei der Ausführungsform der F i g. 5 ist die Zufuhrleitung 27 für
die Zusatzluft als Ringraum ausgebildet. Dieser führt am düsenförmigen Mundstück
28 a der Abgasleitung 28 um eine Umkehrstelle in Richtung der Abgasströmung
in der Leitung 28. Innerhalb des Ringraums 27 a ist die Misch- und Verbrennungszone
29 zentral angeordnet. Die aus
dem düsenförmigen Mundstück 28 a
austretenden Abgase treffen auf das zentral angeordnete Hitzestaurohr 30. Die am
Mundstück 28 a zur Umkehr gezwungene Zusatzluft trifft zunächst auf die Hitzestaurohre
31. Im Spalt 32 treffen sich Abgas und Zusatzluft, welche letztere durch die Verbrennungszone
29 vorgewärmt ist, und gelangen gemeinsam in die Misch- und Verbrennungszone 29
und von dort nach außen. Bei dieser Ausführungsform werden die Hitzestaurohre 30
und 31 von Luft und Abgas in gleicher Richtung beaufschlagt. Die Ausbildung dieser
Vorrichtung ermöglicht eine Vielzahl von Hitzestaurohren 21 für die Zusatzluft.
Das Hitzestaurohr für die Zusatzluft kann auch als ein einziger drehsymmetrischer,
ringförmiger Hohlraum ausgebildet sein.
-
Die Vorrichtung zum Verbrennen der brennbaren Bestandteile von Motorabgasen
im Auspuffrohr der F i g. 6 zeigt ebenfalls eine ringförmige Zuführung 33 für die
Zusatzluft. In die Umkehrstelle für die Zusatzluft mündet die Motorabgasleitung
34. Daran schließt sich ein Ejektor 35 an, der mit Druckluft als Treibmittel arbeitet.
Druckluft und Abgas treten in die gemeinsame Mischungszone 36 ein. Die Mischung
von Druckluft und Motorabgas erfolgt unter Druck. Danach sind im zentralen Rohr
37 ein oder mehrere Hitzestaurohre oder drehsymmetrische Resonanzhohlräume 38 angeordnet,
durch die die Druckluft-Abgas-Mischung auf die erforderliche Zündtemperatur gebracht
wird. Daran schließt sich die Verbrennungszone 39 an, durch die die Zusatzluft im
Ringraum 33 vorgewärmt wird. Das erweiterte Rohr 40 ist wiederum mit einer Wärmeisolation
26 versehen.