DE1476614C - Auspuffanlage fur Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Auspuffanlage für Brennkraftmaschinen mit gesteuerter Luftzufuhr zum Auspuffgas nahe der Auslaßöffnung jedes Zylinders, zwecks Nachverbrennung der brennbaren Bestandteile der Auspuffgase.

Brennkraftmaschinen werden allgemein mit Kraftstoff-Luft-Gemischen betrieben, die reicher als stöchiometrische Gemische sind, so daß in den Auspuffgasen erhebliche Mengen brennbarer Reststoffe verbleiben, die aus Kohlenoxyd, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen bestehen. Es ist bekannt, daß durch Zusatz von Luft zu diesen Auspuffgasen ein Kraftstoff-Luft-Verhältnis in der Auspuffanlage geschaffen werden kann, das stöchiometrisch und vorzugsweise etwas magerer ist. Es müssen dabei Vorrichtungen vorhanden sein, die die Umsetzung der brennbaren Stoffe im Auspuff mit der vorhandenen Luft zu den Endprodukten Wasser und Kohlendioxyd begünstigen.

Das gesteuerte Einführen von Luft als Oxydationsmittel in ,das Auspuffrohr von Brennkraftmaschinen zwecks Umwandlung des in den Auspuffgasen enthaltenen Kohlenoxyds in Kohlendioxyd ist bekannt. . Ein derartiges Oxydationsmittel wird stromab und nahe dem Auspuffventil zugeführt, wo die Temperatur so hoch ist, daß eine fortgesetzte spontane Verbrennung erfolgt. Bekannt sind auch Vorrichtungen zum Mischen und Umsetzen von Zusatzluft mit den in den Auspuffgasen vorhandenen brennbaren Stoffen in Form von katalytischen Reaktoren.

Mit der Erfindung soll nun eine verbesserte Vorrichtung geschaffen werden, mit der die Menge der in den Auspuffgasen von Brennkraftmaschinen vorhandenen brennbaren Stoffe oder Verbindungen weitgehend verringert, wenn nicht praktisch völlig ausgemerzt wird.

Hierzu dient erfindungsgemäß eine an sich bekannte Einrichtung zur Steuerung des Rückdrucks in der Auspuffanlage, die diesen mittels eines stromabwärts vom Auspufftopf angeordneten Ventils auf mindestens dem 1,05fachen Wert des atmosphärischen Drucks hält.

Vorzugsweise ist bei Anordnung eines katalytischen Reaktors in der Auspuffanlage dieser nahe und stromaufwärts von dem Ventil angeordnet.

In der Zeichnung ist

F i g. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anlage; .

F i g. 2 zeigt in einer graphischen Darstellung die Zunahme des Wirkungsgrades hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs infolge der Zuführung von Zusatzluft nahe einer Auspufföffnung und der Erhöhung des Rückdrucks bei Motorleerlauf;

F i g. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung den Vorteil des erhöhten Auspuffrückdrucks zur Begünstigung der Nachverbrennung der Auspuffgase;

F i g. 4, 5, 6 und 7 zeigen die Vorteile des erhöhten Auspuffdruckverhältnisses an der prozentualen Verringerung der in den Auspuffgasen vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe bei Leerlauf-, Beschleunigungs-, Fahrt- und Bremsverhältnissen.

Die Vorteile der Erfindung werden dadurch erreicht, daß die Umsetzung der Zusatzluft mit den in den Auspuffgasen vorhandenen restlichen Brennstoffen durch Erhöhung des Auspuffrückdrucks begünstigt wird. Eine zusätzliche Umsetzung wird durch Verwendung eines katalytischen Reaktors erhalten.

F i g. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 mit einer Auspuffanlage, deren Sammler 11 zu einem als Schalldämpfer ausgebildeten Auspufftopf und/oder einem katalytischen Reaktor 12 führt. Ein schematisch dargestelltes Ventil 13 zum Regeln des Auspuffrückdrucks ist stromab des Auspufftopfs bzw. des katalytischen Reaktors angeordnet. Der Aufstellungsort dieses Ventils richtet sich nach der Bauart des Motors, damit das Nachbrennen in der Auspuffanlage vollständig ausgeführt wird.

Es wurde festgestellt, daß bei niedriger und mittlerer Belastung zur vollständigen Verbrennung der Reststoffe der Rückdruck der Gase in der Auspuffanlage erhöht werden muß, und zwar über den Rückdruck hinaus, der durch den üblichen Auspufftopf und/oder den katalytischen Reaktor eintritt. Für gewöhnlich beträgt der Auspuffrückdruck, der durch den üblichen Auspufftopf bei Leerlauf eintritt, etwa 0,035 kg/cm². Der Rückdruck kann bei Betrieb mit weit offener Vergaserdrossel (etwa HO km/h und höher) wegen des großen durchströmenden Gasvolumens ungefähr 0,7 kg/cm² betragen.

Zur Erzielung verbesserter Nachbrennverhältnisse muß ganz allgemein der Rückdruck größer als der l,05fache Außenluftdruck sein. Der Kraftverlust, der durch den erhöhten Rückdruck entsteht, wird mehr als ausgeglichen durch die Kraftstoffersparnis, die durch die Verwendung von Zusatzluft an der Auspufföffnung entsteht. Als Beispiel zeigt F i g. 2 die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs bei einer derartigen Anlage bei Motorleerlauf. Es geht etwas Leistung verloren, wenn eine geringe Erhöhung des Auspuffrückdrucks erfolgt, jedoch beträgt die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs etwa 17%, wenn der Auspuffrückdruck um 25 mm Quecksilbersäule erhöht wird.

Bestimmte Vorschriften zur Verringerung der Luftverschmutzung verlangen, daß der Kohlenwasserstoffgehalt des Autoauspuffgases durchschnittlich um 80% von 1375 auf 275 ppm (ppm = Kohlenwasserstoffteilchen je Million Hexan) und der Kohlenoxydgehalt von 3,8 auf 1,5% verringert wird. Bekannt ist auch, daß im Nachbrennverfahren das Kohlenoxyd und der Wasserstoff in den Auspuffgasen für gewöhnlich vor den Kohlenwasserstoffen oxydiert werden. F i g. 3 ist eine graphische Darstellung, die die prozentuale Verringerung der Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen über dem Verhältnis des absoluten Auspuffrückdrucks zum Außenluftdruck zeigt, und zwar auf Grund eines Versuchs. Um den gesetzlichen Vorschriften zur Verringerung der Kohlenwasserstoffverschmutzung um 80% zu genügen, muß das Auspuffdruckverhältnis etwa 1,1 betragen oder der Rückdruck etwa ein Achtel größer sein als der Außenluftdruck. Die prozentuale Verringerung richtet sich nach der ursprünglichen Menge der Verschmutzungsteilchen in den Auspuffgasen, was vom Kraftstoff-Luft-Gemisch abhängt, so daß ζ. B. für einen Motor mit magerem Gemisch nur eine Verringerung von 30 bis 40% notwendig ist. Sind dabei nur die gesetzlich vorgeschriebenen Mindestgrenzen von 275 ppm an Kohlenwasserstoff zu erfüllen, dann genügt ein Auspuffrückdruckverhältnis von 1,05.

Die F i g. 4, 5, 6 und 7 zeigen den Einfluß eines erhöhten Auspuffrückdrucks auf die Verbesserung der Nachverbrennung, wobei die prozentuale Verringerung der Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen über dem Auspuffrückdruckverhältnis aufgezeichnet ist. Das Verhältnis des tatsächlichen stöchiometrischen Kraftstoff-Luft-Gemisches ist für

alle Kurven bei Leerlauf-, Beschleunigungs-, Fahrt- und Bremsverhältnissen mit γ bezeichnet. Der Wert von γ ändert sich von etwa 0,85 bis etwa 1,25. Der Zusatz von Luft erfolgt ständig, und die Luft wird der Auspuffanlage unter einem so hohen Druck zugeführt, daß ein freies Fließen der Luft durch die Anlage hindurch erfolgt. Eine zu große Menge Zusatzluft senkt die Temperatur in der Auspuffanlage, so daß das Ausmaß der Nachverbrennung abnimmt, obwohl der Förderaufwand höher ist. Notfalls kann die Zusatzluft auch vorerwärmt werden.

F i g. 4 zeigt den Einfluß eines Überschusses an Zusatzluft. Bei 94% Zusatzluft und γ = 0,96 mußte ' das Auspuffdruckverhältnis von 1,10 auf 1,40 erhöht werden, um eine Verringerung der Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu erzielen. Bei jedem höheren Druckverhältnis genügte diese Menge der Zusatzluft, um eine Verringerung der Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen zu erzielen. Bei 73% Zusatzluft und γ = 1,08 soll das Auspuffdruckverhaltnis nicht mehr als 1,25 betragen.

F i g. 5 zeigt den günstigen Einfluß während des Beschleunigens, wenn die Zusatzluftmenge mit einer Erhöhung des Auspuffdruckverhältnisses erhöht wird. Nähert sich γ dem Wert Eins, dann wird die Verringerung deutlicher. Bei einem gegebenen γ wächst die Verringerung mit zunehmendem Auspuffdruckverhältnis.

F i g. 6 zeigt eine Umkehrung der Einflüsse zwischen dem Zusatz von 35 und 43% Luft. Die Ursache hierfür ist darin zu sehen, daß die günstigste Menge der Zusatzluft annähernd 35% beträgt und daß eine Erhöhung dieser Zusatzluft die Temperatur in der Auspuffanlage senkt und dadurch die Nachverbrennung hemmt.

F i g. 7 zeigt eine einzige Wirkungskurve beim Bremsen, wobei die größte Verringerung der Emission an unverbrannten Kohlenwasserstoffen dann vorhanden ist, wenn das Druckverhältnis annähernd 1,075 beträgt. Leerlauf- und Bremsverhältnisse sind kritisch, wie dies durch den in den F i g. 4 und 7 dargestellten Kurvenverlauf gezeigt ist.

Der Gehalt an in den Auspuffgasen vorhandenen brennbaren Verbindungen kann durch die beschriebene Anlage zwar zufriedenstellend entfernt werden, um die von den Behörden vorgeschriebenen Mindestforderungen zu erfüllen, doch ist es möglich, den Gehalt an unverbrannten Kohlenwasserstoffen durch die Verwendung eines in oder nahe dem Auspufftopf gelegenen Katalysators zur verstärkten Nachverbrennung noch weiter herabzusetzen. Ein derartiger Katalysator verringert nicht nur den Kohlenwasserstoffgehalt, sondern regelt auch die Menge der anderen schädlichen Abgasbestandteile, z. B. der Stickstoffoxyde. Sobald die Zusatzluft nahe den Auspufföffnungen in die Auspuffanlage eingeführt ist und dann verbrannt wird, steigt die Temperatur in der Auspuffanlage, so daß die Menge des in dem Reaktor vorhandenen Katalysators verringert werden kajm._Wegen der erhöhterijremperatur der Auspuffgase wird auch die Belastung im Reaktor verringert.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Auspuffanlage für Brennkraftmaschinen mit gesteuerter Luftzufuhr zum Auspuffgas nahe der Auslaßöffnung jedes Zylinders, zwecks Nachverbrennung der brennbaren Bestandteile der Auspuffgase, gekennzeichnet durch eine an sich bekannte Einrichtung zur Steuerung des Rückdrucks in der Auspuffanlage, die diesen mittels eines stromabwärts vom Auspufftopf (12) angeordneten Ventils (13) auf mindestens dem l,05fachen Wert des atmosphärischen Drucks hält.

2. Auspuffanlage nach Anspruch 1 mit einem katalytischen Reaktor in der Auspuffanlage, dadurch gekennzeichnet, daß dieser nahe und stromaufwärts von dem Ventil (13) angeordnet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen