DE1576756A1

DE1576756A1 - Abgas-Behandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE1576756A1
Application number: DE19671576756
Authority: DE
Inventors: Roth Herman P; Von Brimer Joe W
Original assignee: ROTH HERMAN P; VON BRIMER JOE W
Current assignee: ROTH HERMAN P; VON BRIMER JOE W
Priority date: 1966-12-13
Filing date: 1967-12-13
Publication date: 1970-03-26
Also published as: JPS4821003B1; GB1215148A

Description

Abgas-Behandlungsvorrichtung

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Die Erfindung bezieht sich auf Abgasbehandlungsvorrichtungen für Motoren und betrifft insbesondere eine Abgasbehandlungsvorrichtung, die sich besonders vorteilhaft zur Verringerung der unerwünschten Abgasemissionen und zur Steigerung des Motorwirkungsgrades verwenden läßt.

Das Problem der Luftverunreinigung durch Kraftfahrzeugabgase ist mit steigender Anzahl der in Betrieb befindlichen Kraftfahrzeuge immer ernster geworden. Es wurden bereits zahlreiche Versuche unternommen, um Art und Weise der Luftverschmutzung durch Auspuffgase zu ermitteln, aus denen sowohl Kenntnisse über die Verunreinigung als auch über die Motorbetriebsbedingungen gewonnen wurden, unter denen die Verunreinigungsprobleme besonders ernste Ausmaße annehmen. Den Hauptbestandteil der Abgase bilden unverbrannte Kohlenwasserstoffe, die in allen Betriebszuständen der Maschine emitiert werden, jedoch besonders stark im Leerlauf, bei der Beschleunigung und

' Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon: 281202 · Telegramm-Adresse: Lipatli/München

beim Abbremsen des Motors zu finden sind. Eine andere Quelle für unverbrannte Kohlenwasserstoffe bildet das Durchblasen des vergasten Luft-Brennstoffgemisches, das von den Kolben in das Kurbelgehäuse gedruckt wird, aus dem es gewöhnlich in die Atmosphäre entweicht. Andere Luftverunreinigungsprodukte, die bekannterweise von den Motoren freigesetzt werden, sind Kohlenmonoxyd und Stickoxyde, letztere gewöhnlich als NO und NO₂ und zusammen als NOX bezeichnet.

Um eine wesentliche Verringerung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe zu erreichen, wurde bereits vorgeschlagen, Auspufftöpfe für den Motor zu bauen, in denen sich katalytische Reaktoren befinden, wobei gewöhnlich als Katalysator ein aus einem katalytischen Metall oder einer Verbindung, beispielsweise Vanadium oder Platin oder ihren Oxyden hergestelltes Sieb oder freiliegende Oberfläche Verwendung findet, die die Verbrennung der Kohlenwasserstoffe unterstützt. Derartige Vorrichtungen können jedoch im allgemeinen nicht völlig zufriedenstellen, weil

en die katalytischen Elemente durch die Verunreinigung /oder in dem Kraftstoff enthaltene Substanzen, beispielsweise Bleiverbindungen, vergiftet werden, wodurch ihre Wirkung in steigendem Maße abnimmt. Außerdem erfordert das katalytische Material auch Mittel, die es bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten schützen, d.h. eine Vorrichtung, die das katalytische Element umgeht. Zu diesem Zweck mußten mechanische bewegliche Teile vorgesehen werden, die bei den hohen Umgebungstemperaturen, in denen sie arbeiten mußten, leicht versagten. Somit haben derartige Vorsehläge weder bezüglich der Langzeitnormen für die Leistung noch für die Lebensdauer der katalytischep

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Vorrichtung·» im Abgasstrom den vom Gesetzgeber festgesetzten Standardwerten entsprochen.

Eine weitere Vorrichtung, die den katalytischer! Reaktoren etwas Ähnlicher lit und die zur Oxydation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, in den Abgasvorrichtungen verwendet wurde, ist der Nachbrenner. Nachbrenner der seither verwendeten Art verringern «war etwas die Emissionen, weisen jedoch/nach ihrer besonderen Ausbildung wenigstens einen der vielen Unzulänglichkeiten auf und haben sich deshalb niemals wirklich so bewährt, daß sie zum Kauf angeboten werden konnten. Die Steuerung der Temperaturen hat sich als problematisch erwiesen, und zu hohe Temperaturen haben die Lebensdauer in untragbarer Weise verkürzt. Obgleich Vorkehrungen zur Bereitstellung von Luft iür die Verbrennung getroffen worden sind, ist diese Luftzufuhr gewöhnlich nicht in angemessener Weise gesteuert worden. Ein Teil des Problems bei der Luftzufuhr bestand in der unzulänglichen Verbrennung aufgrund der unzulänglichen Mischung und außerdem darin, daß nicht erkannt wurde, daß snr Durchführung der Oxydationsreaktion eine beträchtlich« Zeit erforderlich ist. Dort jedoch, wo diese Erfordernisse mehr oder weniger klar erkannt worden sind, war die darauf basierende Vorrichtung für brauchbare Einbauten und hinsichtlich annehmbarer Kosten xu schwer und zu voluminös, und zwar insbesondere in den Fällen, in denen geeignete Vorrichtungen zur Sieherstellvng annehmbarer Verbremnungstemperaturen eingebaut wurden.

line weitere Möglichkeit zur Verringerung der Motoremissionen bot die zwangsläufige Kurbelgehäuse-Belüftungsvorrichtung, die in tjplscaer Veise aus einem Rohr besteht, das sich zwischen das Kur-

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belgehäuse des Motors und die Lufteintrittsöffnung in dem Vergaser erstreckt und dazu dient, die im Kurbelgehäuse vorhandenen Dämpfe in den Vergaser zu leiten, um dadurch diese Dämpfe im Motor eitzuverbrennen. Das Rohr enthält ein Ventil, das die Durchblasgase an den schwankenden Eintrittsdruck anpassen muß und den Flammenrückschlag verhindern soll, der Rohkraftstoff aus dem Vergaser in das Kurbelgehäuse ausströmen lassen könnte. Von dieser Vorrichtung

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wurde jedoch niemals mehr erwartet, als daß sie/mehr als einen beträchtlichen Teil der Emissionen vermeiden half; sie wurde je- · doch akzeptiert, weil sie einfach und vergleichsweise billig war. Unglücklicherweise kann jedoch das Zwangsbelüftungsventil des Kurbelgehäuses erhebliche Motorwartungsprobleme aufwerfen, wenn das Ventil vernachlässigt wird.

Die neueren Versuche, die sich mit den Motoremissionen befassen, haben zu verschiedenen Vorschlägen geführt, von denen der eine darin besteht, den Motor sehr sorgfältig im Hinblick auf arme Gemische und eine Veränderung der ZUndzeitpunkte abzustimmen. Durch derartige Verfahren können die Emissionen etwas herabgesetzt werden, jedoch verursachen sie erhebliche Leistungsverluste und erfordern sehr häufig exakte und teuere Motorwartungsarbeiten.

Ein anderer Vorschlag zur Lösung des eingangs genannten Problems bestand darin, eine motorgetriebene Pumpe vorzusehen, die Luft in die Abgas leitungen injiziert, wodurch ermöglicht werden soll, daß unverbrannter Kraftstoff in der Auspuffleitung verbrannt wird. Auch mit diesem System läßt sich eine wesentliche Verringerung der Emissionen erzielen, es hat jedoch bestimmte Nachteile, weil die erforderlichen besonderen Teile eine kostspielige Her-

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stellung verlangen und weil zur Erreichung optimaler Ergebnisse Änderungen an Motorzylinderkopf, Zündverteiler und am Vergaser notwendig sind. Bei beiden Vorschlägen tritt jedoch zusätzlich noch die Wärmebelastung auf, der mit größeren Kühlern, größeren Gebläsen, höheren Gebläsedrehzahlen und/oder durch Einsatz von Schraubengebläsen begegnet werden muß. Man erkennt natürlich, daß die zusätzlichen Teile notwendigerweise Probleme der Betriebszuverlässigkeit aufwerfen. Andererseits hat sich herausgestellt, daß, obgleich durch Zufuhr von Luft in die Abgasleitungen die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe verringert werden kann, eine erhebliche Zunahme in der Emission von Stickstoffoxyden (NOX) zu verzeichnen ist. Eine weitere Grenze ist dadurch gesetzt, daß die für die Verbrennung von der Pumpe gelieferte Zusatzluft im wesentlichen in Übereinstimmung mit der momentanen Motorgeschwindigkeit zugefügt wird, obgleich die Abgasemissionen bei einer gegebenen Geschwindigkeit in Abhängigkeit davon, ob die Maschine beschleunigt, gebremst oder bei konstanter Drehzahl ohne Lastveränderung gefahren wird, erheblich variieren können. In typischer Weise werden die von den Behören wie der Motor Vehicle Pollution Control Board of the State of California, festgesetzten Abgasemiss ionswerte von derartigen Vorrichtungen annähernd erreicht, wenn der Motor mit konstanter Drehzahl läuft, dagegen werden diese Standardwerte während eines erheblichen Betriebsbereichs der Beschleunigung und Abbremsung oder während der Drosselung nicht eingehalten. Es kann angenommen werden, daß diese Standardwerte in den kommenden Jahren noch mehr eingeengt werden, und daß mit aller Wahrscheinlichkeit auch andere Ämter und Behöiien einschließlich vieler, die noch nicht

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einmal existieren, Standardwerte für die Luftverunreinigung festsetzen.

Aus dem obigen geht hervor, daß eine sehr große Nachfrage nach einem Abgasbehandlungssystem besteht, das noch leichter zu handhaben ist und in konstruktiver Hinsicht einfacher aufgebaut ist als die gegenwärtig verwendeten Systeme oder Vorrichtungen dieser Art und mit dem die Emission von luftverunreinigenden Substanzen auf ein annehmbares Maß reduziert werden kann. Von einem derartigen System wird mit Sicherheit verlangt, daß es diese Aufgabe erfüllt., ohne dabei de» Motorbetrieb Nachteile aufzuerlegen wie eine geringere Leistungsabgabe, einen rauheren Betrieb, höhere Wärmebelastungen und verminderte Zuverlässigkeit.

Des weiteren besteht ein Bedarf an einem Abgassystem, das den Lärepegel der zugehörigen Maschinen erheblich senkt, ohne den Betrieb durch die Einführung hoher Gegendrücke mit einem wesentlichen Nachteil zu behaften. Sowohl bei kleinen Verbrennungskraftmaschinen, wie sie beispielsweise in Motorrädern Verwendung finden, als auch bei großen Diesellastwagen kann der Lärmpegel die Schwelle des körperlichen Schmerzes erreichen oder überschreiten. Diese Lärmpegel werden jedoch aufgrund der Theorie geduldet, das die Motoren nach Möglichkeit ihre maximale Leistung entfalten können müssen, wenn ihre Nutzen nicht negativ beeinflußt werden soll. In derartigen Fällen wird durch die verwendeten Auspufftöpfe zwar eine Verbesserung bezüglich des Gegendrucks erreicht, diese Auspufftopfe sind aber als Mittel zur Verminderung der Schallabstrahlung gänzlich ungeeignet. Ein großer Vorteil liesse sich mit Hilfe eines einfachen und billigen Abgasybehandlungssystems erzielen, das beide

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Aufgaben, nämlich die Verringerung der Abgasemission und die Verringerung der Schallabstrahlung auf annehmbare Pegel kombiniert, während es eine tatsächliche Verbesserung des Motorbetriebs durch Reduzierung.der Gegendrücke bietet. Die Erfindung hat sich deshalb zur Aufgabe gesetzt, ein Abgasbehandlungssystem für einen Motor zu schaffen, das leicht und in konstruktiver Hinsicht einfach aufgebaut ist und dennoch die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe auf Pegel reduziert, die wesentlich unter denjenigen liegen, die mit den gegenwärtig, in Gebrauch befindlichen Vorrichtungen erreicht werden können.

Insbesondere soll mit Hilfe dieses neuartigen Systems die Emission von Kohlenmonoxyd auf Werte herabgesetzt werden, die unter den augenblicklich üblichen liegen. Das gleiche soll auf die Emission von Stickoxyden zutreffen, auch diese soll mit Hilfe des neuartigen Systems wesentlich verringert werden. Des weiteren soll ein System zur Abgasbehandlung geschaffen werden, das gleichzeitig den abgestrahlten Lärm auf annehmbare Pegel reduziert und zu einer erheblichen Leistungsverbesserung des zugehörigen Motors führt, indem die auf den Motor einwirkenden Gegendrücke auf Werte herabgesetzt werden, die wesentlich unter denjenigen liegen, die gewöhnlich erreichbar sind, wenn die üblichen Auspufftöpfe verwendet werden. Das neuartige System, mit dem sich die Abgasemission herabsetzen läßt, läßt sich in einfacher und bequemer Weise so anpassen, daß es den weiteren Vorteil der zwangsläufigen Kurbelgehäusebelüftung bietet, ohne die Nachteile aufzuweisen, die für die gegenwärtig benutzten Kurbelgehäusezwangsbelüftungssysteme charakteristisch sind.

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Demnach soll das zu schaffende System sowohl zur Abgasbehandlung unter den obengenannten Gesichtspunkten dienen, wobei eine Verringerung der Abgasemission erreicht wird, als auch zur Steigerung der Motorleistung dienen, in dem der auf den Motor einwirkende _# Gegendruck erheblich gesenkt wird und schließlich die Senkung des abgestrahlten Schalls auf Schallpegel ermöglichen, die gleich denjenigen der gegenwärtig verwendeten Kraftfahrzeug-Auspufftopfe sind oder unter ihnen liegen.

Des weiteren hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, ein Abgasbehandlungssystem für einen Motor zu schaffen, das die Nach- ' teile der augenblicklich verwendeten Emissionssteuersysteme vermeidet, wobei die Emissionspegel wenigstens während desjenigen Motorbetriebs wirksam gesteuert werden, bei dem die größte Menge der unerwünschten Emission anfällt. Bei dem erfindungsgemäßen System sollen die Nachteile der bekannten Emissionssteuersysteme beseitigt werden, bei denen der Motorwirkungsgrad und die Motorleistung durch die erforderlichen Veränderungen am Vergaser und an der Zündpunkteinstellung zur Erreichung annehmbarer Emissionswerte nachteilig beeinflußt werden. Außerdem sollen mit dem erfindungsgemäßen System die Nachteile der bekannten Systeme beseitigt werden, die sowohl durch zusätzliche Pumpenbelastungen als auch größere Motorkühlungsbelastungen hervorgerufen werden. Des weiteren soll das neuartige System eine längere Lebensdauer besitzen· und zuverlässiger arbeiten als die gegenwärtig benutzten Systeme dieser Art.

Dies alles soll schließlich mit Hilfe eines neuartigen Systems erreicht werden, das noch dazu billiger hergestellt werden kann als die gegenwärtig erhältlichen Emissionssteuersysteme. In der Zeich-

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nung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht, sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer vereinfachten Fora des erfindungsgemäßen Abgasreaktors, wobei ein Teil des Eintrittsquerschnitts zur Kennzeichnung der Querschnittsausbildung gestrichelt gezeichnet ist,

Fig. 2 ein vergrößerter Querschnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausfuhrungsform der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung, wobei Teile zur Verdeutlichung der Gasströmung innerhalb des Reaktors gestrichelt gezeichnet sind,

Fig. h «ine Querschnitt»anficht «inte Beaktors, der ähnlich der in Fig. 2 dargestellten ist, jedoch tin« Vorrichtung aur Steuerung der Abgasaustrittsgeschwindigkeit aufweist,

Fig. 5 eine Quersohnittsansieht, ähnlioh der In Fig. % gezeigten, jedooh Hit einer teaperatnreapfindllohen Abgeaavstritts-Geschwindigkeitsateuerung,

Fig, 6 eine teilweise ia Schnitt gezeigte Stirnansicht der erfindungsgeaäBen Abgasreaktionsvorriohtung, alt einer Abgesau»- tritts-Geschwindigkeitsstenernng, «ie Ähnlich der ia den Fig· % und 5 gepeigten ist, sowie alt einer Verrichtung »er Veränderung der Luftzufuhr, die von ier Abgaiaustritts-Uesohwindigkeitssteue^ rung betätigt wird,

. Fig. 7 einen Teil einer anderen Ausfttbrungsfora des erfindiingsgeaäBen Abgasreaktors ia Sohnitt, webei der leaktor eine

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Verbrennungsluft-Mengenregelung aufweist, die von einem barometrischen Dämpfer betätigt wird,

Fig. 8 eine Verbrennungsluft-Mengenregelung alt Hilfe einer auf den in der Einlaßleitung herrschenden Druck ansprechenden Vorrichtung,

Fig. 9 die Schnittansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Abgasreaktors mit einer aerodynamischen Vorrichtung zur Steuerung der Verbrennungsluftmenge,

Fig. 10 die Schnittansicht eines Teils des erfindungsgemäßen Abgasreaktors mit einer anderen Form einer aerodynamischen Steuerung der Verbennungsluftmenge,

Fig. 11 die Querschnittsansicht eines erfindungsgenäßen Abgasreaktors, der alt einer durch den Reaktorabgasetrom bewirkten Verbremnunfsluft-Mengenregelung versehen ist,

Fif. 18 eine» erfindung·gemäßen AHfasreaktor alt einea Ver-J»ronaumgslttfteintritt sowie elnea «weiten Lefteintritt am Reaktoraaspuff,

Fif. 12a eine Stirnansicht der Vorrichtung von Fig. ISt,

FIf. 13 eine perspektivische Ansicht eines erfindung«gemäßen Abgasreaktor·, der dem In Fif. 1 feseigten gleicht, jedoch atus&tslich ·in«n «weiten Lefteintritt und eine Spirale «ur Vermischung «er Iveitltttt ait earn Reaktorabgas amfweist,

Fif, 1% eine schematises· Zeichnung elftes erflndungegemäsen » Abgasreaktor alt einea sweiten Eintritt «u einea Venturi-Teil,

> der smr Veraisohnnf des Reaktorabfaees alt der Außenluft di«mt, ; * ■ Flg. 15 eine soaeaatisoae Zeichnung eines erfiadunfeg»mäßen

> Abgasreaktor· alt einer Verrichtung «er XufHarang von Sekundärluft α la ien Abfasstrom, die In steigemAea Mass· f*k»B*ärlnft anspeist,

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mm ··· Abfas «lroh *·» Beakter str«at, _BAD original

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Fig. l6 eine perspektivische, teilweise gestrichelte Darstellung einer anderen Ausführungsform, bei der Mehrere Reaktoren in das Abgassystem eines Motors eingebaut sind,

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer zweistufigen Version des erfindungsgemäOen Reaktors,

Fig. 18 eine schematische Darstellung einer weiteren AusfUhrungsform des erfindungsgemäßen Reaktors, wobei eine Vorrichtung zur Vorheizung der eintretenden Verbrennungsluft vorhanden ist,

Fig. 19 eine Sdini t tens ich t einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors, wobei ein Ililfsglied zur Lenkung der Innenströmung vorhanden ist, und der Reaktor von einer Schicht Isoliermaterial umgeben ist,

Fig. 19a eine Querschnittsansicht des in Fig. 19 gezeigten . Reaktors, längs der Linie A-A in Fig. 19,

Fig. 19b eine stark vergrößerte Ansicht eines Teils der Wand des Reaktors von Fig. 19,

Fig. 20 eine schematische Darstellung des an einen Motor angebauten Reaktors, wobei eine Vorrichtung zur Kurbelgehäusezwangsbelüftung vorgesehen ist, die zwischen den Motor und den Reaktor geschaltet ist,

Fig. 21 ein Schaubild, aus dem die Abhängigkeit des Durchblasvolumens von dem in der Ansaugleitung herrschenden Unterdruck ersichtlich ist, und

Fig. 22 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors, der zur Verkleinerung der Länge und Verbesserung der Wärmespeicherung aus konzentrischen Schichten zusammengesetzt ist.

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In Fig. 1 ist die Grundform des neuartigen Reaktors dargestellt, die ein Auspuffrohr 10 aufweist, das die von den nicht gezeigten ₍ Motor könnenden Verbrennungsprodukte aufnimmt. Dieses Auspuffrohr enthält einen abgeschrägten Teil 12 und einen abgeflachten Teil 14, der mit einem länglichen, zylindrischen Reaktorelement 16 so verbunden ist, daß die aus dem Teil Ik in den Reaktor 16 eintretende Strömung anfänglich im wesentlichen tangential zur inneren Oberfläche des Reaktors 16 und im wesentlichen lotrecht zu seiner Achse verläuft. Am Ende des Reaktors 16, in der Nähe des Auspuffrohres 10,

befindet sich ein Eintrittsteil 18. Der Verlauf der Abgasströmung in den Reaktor i6 hinein läßt sich anhand von Fig. 2 leichter verstehen, da Fig. 2 eine Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1 enthält. Aus dieser Ansicht ist ersichtlich, daß die aus dem abgeflachten Teil des Auspuffrohres Ik kommende Abgasströmung tangential in das Innere des Reaktors 16 gefördert wird, und zwar so, daß innerhalb des Reaktors 16 eine sehr schnelle kreisförmige Strömung erzeugt wird. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit dieses Gasstroms erzeugt die dem Gasstrom innewohnende Zentrifugalkraft innerhalb des Reaktors 16, nahe an der Eintrittsöffnung 18 eine Drucksenkung. Diese tewirkt, daß Luft von außen in den Reaktor 16 hineingezogen und mit dem Abgasstrom vermischt wird. Dies geschieht etwa im Bereich der Abgaseintrittsöffnung. Diese Außenluftströmung bringt eine ausreichende Menge Sauerstoff mit sich, so daß die meisten unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgasstrom, der sehr heiß ist, innerhalb des Reaktors 16 verbrannt werden, bevor sie durch den Auslaßteil 20 in die Atmosphäre entweichen.

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Eine etwas andere Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird in Fig. 3 vorgeführt, wobei im übrigen die gleichen Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Fig. 3 . ist eine perspektivische Ansicht der in Fig. i dargestellten Vorrichtung, wobei zusätzliche Merkmale vorhanden sind und verschiedene Teile zum besseren Verständnis der Gasströmung durch den Reaktor gestrichelt gezeichnet sind. Wie im Falle von Fig. 1 enthält die Auspuffleitung 10 wieder einen abgeschrägten Teil 12 und einen abgeflachten Teil 14, die dazu dienen, den Gasstrom so nahe am Umfang der inneren Oberfläche des Reaktorrohres 16 zu führen, wie dies praktisch möglich ist. Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Form der Lufteinlaßvorrichtung, die mit einem spulenförmigen Abschnitt 22 versehen ist, der am äußeren Ende des Eintrittsrohres 24 befestigt ist. Die Einlaßluft strömt zwischen den Platten des spulenförmigen Körpers 22 ins Innere des Einlaßrohres 24 hinein, von wo aus sie ins Innere des Reaktors 16 gefördert wird, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Die Abgasströmung aus dem abgeflachten Abschnitt des Auspuffrohres tritt in den Reaktor 16 durch die abgeflachte Eintrittsöffnung 26 ein und beginnt, sehr schnell rund um die innere Oberfläche des Reaktors 16 zu strömen, und zwar unter einem Winkel, der fast lotrecht zur Achse des Reaktors 16 ist. Sobald dieses Abgas mit der Eintrittsluft vermischt wird, nähert sich ihre Strömungsrichtung immer mehr der axialen Richtung bezüglich des Reaktors 16, bis das Gemisch die Austrittsöffnung 20 erreicht, von wo aus es in die Atmosphäre entweicht. Um eine sichere Verbrennung des aus Abgas und Zuluft bestehenden Gemisches im Reaktor 16 zu erreichen, kann eine Zündvorrichtung in

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der For» einer Strömungssperrvorrichtung oder einer einfachen Zündkerze vorgesehen werden, die in jede» Fall Bit Hilfe eines Drahtes 30 an einer nicht dargestellte elektrische Stromquelle angeschlossen sein würde. Zur Erlangung eines Maximalen Wirkungsgrades muß auf die Lage der Zündvorrichtung 28 an der Seitenwand des Reaktors 60 besonders geachtet werden, weil, wie dies durch die spiralförmige Strömung angedeutet ist, im Strömungaverlauf des aus Abgas und Sauerstoff bestehenden Gemisches innerhalb des Reaktors notwendigerweise Verdichtungen und Verdünnungen vorhanden sind, und sich eine wesentlich bessere Verbrennung bei bestimmten Betriebszuständen des Motors erreichen läßt, wenn die Zündvorrichtung 28 so angeordnet wird, daß sie mit einer maximalen Dichte des Gasgemisches zusammenfällt. Falls dies gewünscht wird, können mehrere derartige Zündvorrichtungen verwendet werden. In Abhängigkeit von den Temperaturen und den Kohlenwasserstoffkonzentrationen in der Abgasströmung findet die Zündung des Gemisches häufig spontan statt, so daß keine Zündvorrichtung erforderlich ist. Die Kohlenwasserstoff konzentrat ionen bei Kraftfahrzeugen schwanken in einem weiten Bereich, so daß ein spontanes Zünden oft während der Beschleunigung oder des Leerlaufs erfolgt, jedoch nicht bei niedriger Drehzahl unter konstanten Betriebsbedingungen,

Die beschriebene Vorrichtung ist außerordentlich einfach und unkompliziert aufgebaut, die in ihr stattfindenden Reaktionen dagegen aind relativ komplex. Vie bereits ausgeführt wurde, sind die unerwünschtesten Luftverunreinigungen, die von einer Verbrennungskraftmaschine geliefert werden, unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder unverbrannter Kraftstoff, Kohlenmonoxyd und die Oxyde

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des Stickstoffs, sowohl NO als auch N0„. Gegenwärtig hat es den Anschein, daß die die Verunreinigung kontrollierenden Behörden ihr Hauptaugenmerk auf die Verringerung des Anteils der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und in eines geringerem Masse des Anteils des Kohlenmonoxyds in der Motorabgasemission richten. Es wurde kürzlich gefunden, daß die meisten der gegenwärtig in Benutzung befindlichen Emissionssteuervorrichtungen in ihrer Wirksamkeit nachzulassen scheinen, wenn sie für unverbrannte Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden, während sich gleichzeitig die Emission von Oxyden des Stickstoffs im Vergleich zu Motoren, die überhaupt kein Verunreinigungssteuersystem besitzen, augenscheinlich erhöht. Bei der Behandlung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, sei es -nun mit Hilfe der katalytischen Aaspufftopfanordnungen oder mit Hilfe von AuQenluftzufuhr in das Auspuffrohr oder mittels Nachbrenner, immer wird gewöhnlich die vollständige Verbrennung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe angestrebt. Um diese Verbrennung zu erreichen, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt werden:

1) Ausreichende Zeit, damit die Verbrennung vollständig geschieht,

2) Aufrechterhaltung ausreichend hoher Temperaturen, so daß die Verbrennung über eine Zeitspanne aufrechterhalten wird, die zu ihrer Vollendung ausreicht,

3) ausreichend Sauerstoff zur Unterhaltung der Verbrennung ,

h) geeignete Vorrichtungen zur Vermischung des zugesetzten Sauerstoffs mit den unverbrannten Kohlen?- "—·*·*·"«*-13/077 7

5) ausreichenden Absolutdruck zum Unterhalt der Verbrennung.

Falls eine der obigen fünf Bedingungen nicht in einem ausreichenden Maße erfüllt ist, so zeigt die Kohlenwasserstoff-Verbrennungsreaktion nicht die gewünschte Wirksamkeit. Dazu kommt natürlich, daß in den Fällen, in denen ein oder mehrere dieser Faktoren bezüglich der anderen in einem falschen Anteil oder Verhältnis auftritt, die an die anderen Faktoren gestellten Anforderungen möglicherweise gesteigert werden müssen. So kann beispiels-

weise das Vorhandensein einer angemessenen Sauerstoffmenge aber das Fehlen einer geeigneten Mischeinrichtung zu einer wesentlichen Vergrößerung der Zeitspanne führen, die für eine zufriedenstellende Verbrennung erforderlich ist. In ähnlicher Weise kann die Zufuhr einer zu großen Sauerstoffmenge bei tiefer Temperatur dazu führen, daß die Temperatur in der Verbrennungszone soweit abgesenkt wird, daß die Verbrennung entweder vollständig unterbrochen oder so stark abgebremst werden muß, daß zur Durchführung der Verbrennung sehr viel zusätzliche Zeit erforderlich wird.

Im folgenden soll nun erläutert werden, wie den obengenannten Bedingungen mit dem erfindungsgemäßen Reaktor Rechnung getragen wird. Wie aus Fig. 3 ersehen werden kann, wird der Abgasstrom aus der Öffnung 26 so ausgestoßen, daß er sich im wesentlichen lotrecht zu der Achse des Reaktors 16 befindet. Diese Strömung wird mit der von der Eintrittsleitung 2k kommenden Sauerstoffströmung in einer Weise gemischt, daß eine spiralförmige Strömung entsteht. Aufgrund der Spiralform dieser Strömung ist der Strömungsweg der Gase sehr viel länger als bei einer reinen Axialströmung. Diese Vorrichtung

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«reist daher bezüglich der zur Verfügung stehenden Zeit einen großen Vorteil auf, wobei sich herausgestellt hat, daß in gewissen Anwendungsfällen sich schon mit einem annähernd nur 4 bis 6 Zoll langen Reaktor annehmbare Meßwerte für die Kohlenwasserstoffemission erzielen lassen. Man erkennt, daß praktisch jede gewünschte Sauerstoffmenge durch die Eintrittsleitung 2k, in Abhängigkeit von deren Querschnittsfläche, zugeführt werden kann. Es wurde jedoch gefunden, daß in dem neuartigen Reaktor zur Unterhaltung der Verbrennung eine erheblich geringere Gesamtmenge an Sauerstoff benötigt wird als bei den bekannten Verunreinigungs-Steuervorrichtungen, weil aufgrund der vorhandenen kreisenden Strömung der Abgase die Mischung des Sauerstoffs mit diesen Gasen außerordentlich gut ist. Die Luftzufuhr soll nach Möglichkeit so gering wie möglich gehalten werden, weil eine zu große Menge an Luft leicht dazu führt, daß die Temperatur in den vermischten Gasen sinkt. Bezüglich des Druckes wird durch die von dem erfindungsgemäßen Reaktor erzeugte kreisende Strömung eine Zunahme des Innendruckes in kritischen Bereichen erreicht, und zwar aus Gründen, die im folgenden erläutert werden sollen. Aufgrund dieser Drucksteigerung werden die Nachteile der vielen ausprobierten "luftsaugenden" Vorrichtungen vermieden. In derartigen Vorrichtungen wird normalerweise eine Venturiartige Drosselanordnung verwendet, die einen tiefen Reaktionskammerdruck und aufgrund des tieferen Absolutdruckes sehr kleine Umsetzungsgeschwindigkeiten bewirkt sowie eine erhebliche Kühlung aufgrund der Expansion der Abgase im unteren Druckbereich des Reaktors. Der neuartige Reaktor unterscheidet sich von derartigen Kontruktionen ganz.erheblich, weil er eher als eine Luftpump· betrachtet werden

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muß, die durch die kinetische Energie der Abgase angetrieben wird, als eine Luftansaugvorrichtung. Dies ist ein fundamentaler , Unterschied zwischen diesen beiden Vorrichtungen, der weitgehend die Ursache für den besseren Wirkungsgrad des neuartigen Reaktors bei der Behandlung der unverbrannten Kohlenwasserstoffemissionen ist.

Das Auspuffrohr 10 ist so abgeflacht, daß die in Fig. 3 gezeigte Abgaseintrittsöffnung 26 eine möglichst große Abgasmenge in eine im wesentlichen tangentiale Strömung zur inneren Oberfläche des Reaktors versetzt, ohne dadurch einen wesentlichen Gegendruck zu erzeugen. Diese tangentiale Einleitung ergibt Strömungsgeschwindigkeiten an der Abgasöffnung von etwa 630 m/sek. und durchschnittlich etwa 450 m/sek. Bei einem Reaktor mit einem ungefähren Durchmesser von 71 mm erzeugt ein eine Geschwindigkeit von 450 m/sek. aufweisender Gasstrom in dem der inneren Oberfläche des Reaktors benachbarten Bereich eine Drehgeschwindigkeit von annähernd 110 000 UFH oder etwa 11500 Radien pro Sekunde. Diese hohe Rotationsgeschwindigkeit ruft an der Reaktorwand eine rc UaIe Beschleunigung von 486 000 G (Vielfache der normalen Erdbeschleunigung) hervor. Die durch diese Beschleunigung von 486 G bewirkte Kompression beträgt etwa 9,84 kp/cm oder rund 10 Atmosphären. Diese Kompression würde theoretisch auch zu einer Temperaturerhöhung von über 222°C führen. Bei Kohlenwasserstoffreaktionen verändert eich die Umsetzungsgeschwindigkeit mit dem Quadrat des absoluten Druckes, der in diesem Fall annähernd (155/15) oder über 100 beträgt. Somit liegt, wenn alle anderen Faktoren konstant gehalten werden, die Oxydationsgeschwindigkeit

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aufgrund der adiabatischen Kompression des zentrifugieren Gases um etwa das Hundertfache höher. Die obigen Berechnungen sind nur theoretischer Natur, weil sie nur den äußeren Bereich, der der inneren Oberfläche des Reaktors benachbart ist, betreffen, jedoch zeigen die berechneten Werte die erheblichen Vorteile, die mit de» neuartigen Reaktor sowohl hinsichtlich der Oxydationsgeschwindigkeit als auch der Temperaturspeicherung erzielt werden können.

Der Temperaturanstieg um über 222°C bringt für jede 10°C, die über der Temperatürschwelle liegen, einen.zusätzlichen Vorteil, indem er die Reaktionsgeschwindigkeit beinahe verdoppelt. Wie bereits erwähnt wurde, bewirken die hohe Turbulenzgeschwindigkeit der Kreisströmung und die senkrechte Strömung der eingespeisten Verbrennungeluft eine extrem gute Mischung, die die Oxydationsgeschwindigkeit noch weiter erhöht.

Obgleich bis heute noch keine Standardwerte für die Emission von Oxyden des Stickstoffs festgesetzt worden sind, wird das Vorhandensein dieser Substanzen in den Abgasprodukten von VerbrennungskraftmasQ^hinen ebenfalls als schädlich angesehen. Unter gewöhnlichen Bedingungen weisen Stickstoff und Sauerstoff eine sehr kleine Affinität zueinander auf. Sie verbinden sich jedoch bei Temperaturen über 1O38°C, und ein Teil dieser auf diese Weise entstehenden Substanz bleibt zurück, auch wenn die Umgebungstemperatur wesentlich gesenkt worden ist. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß ein viel gröüerer Prozentsatz an Stickstoff und Sauerstoff in Verbindung bleibt, wenn die Temperaturen plötzlich von 1038⁰C auf Temperaturpegel von etwa 649°C oder tiefer gesenkt werden. Dieser Temperaturwechsel tritt bei einigen der gegenwärtig verwendeten

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Emissionssteuersystemen auf, in denen das sehr heiße Abgas der Zylinder plötzlich «it einer im wesentlichen Umgebungstemperatur · aufweisenden Luftströmung vermischt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Reaktor weist das durch die in Fig. 3 gezeigte Öffnung 26 eintretende Abgas normalerweise Temperaturen zwischen 6^9 und 871⁰C auf, und obgleich die Temperatur durch die Vermischung mit der Zusatzluft etwas gesenkt wird, wird doch angestrebt, die Temperatur im Reaktor im wesentlichen in diesem genannten Bereich zu halten, und zwar über jede Entfernung, die zur vollständigen Verbrennung erforderlich ist. Es hat sich herausgestellt, daß der neuartige Reaktor eine beträchtliche Verringerung der Emission von Oxyden des Stickstoffs bewirkt. Dies mag auf die Tatsache zurückzuführen sein, daß der Sauerstoff nicht direkt in die extrem heißen Gase eingeleitet wird, die aus dem Zylinder ausströmen sowie darauf, daß die Verbrennung und nachfolgende Abkühlung innerhalb des Reaktors über einen etwas längeren Zeitraum erfolgt. Die mehrischrittweise Abkühlung ermöglicht eine Trennung der Stickstoffoxydkomponenten, bevor der Abgasstrom in die Atmosphäre entlassen wird.

Aus den obigen Zusammenhängen wird ersichtlich, daß durch eine größere Abgasgeschwindigkeit eine erhebliche Steigerung der Zentrifugalkräfte erreicht werden kann, die in dem System erzeugt werden. Es hat sich herausgestellt, daß diese Kraftsteigerung sich nahezu mit dem Quadrat derartiger Geschwindigkeitszunahme* ändert. Um einen zu starken Gegendruck zu vermeiden, hat es sick als vorteilhaft gezeigt, die Abgaseinleitungsgeeefewindigktit auf etwa 80# der Schallgeschwindigkeit zu begrenzen. Um «ine derartige Geschwindigkeit über den ganzen Betiiebsbereish des zugehörigen Motors beizu-

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behalten, müßte an der Abgaseintrittsöffnung eine einstellbare Mündung vorgesehen werden. Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Abgasreaktor, der demjenigen von Fig. 2 ähnlich ist. In dem .abgeflachten Abschnitt 14 des Auspuffrohres 10 ist ein Ventilkörper 32 angeordnet, der aus einer flachen Platte besteht, die an einem Gelenk 34 befestigt ist und bei dem sich an dieser Platte ein Arm 36 befindet, der entweder mit der Platte aus einem Stück besteht oder an dieser befestigt ist. Der Arm 36 weist ein einstellbares Gewicht 38 auf, das im Hinblick auf den Druck der auftreffenden Abgase bewegbar ist, um dadurch die ZufUhrungsöffnung so einzustellen, daß sie eine etwa konstante Geschwindigkeit des einströmenden Abgases bewirkt.

In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform der veränderlichen Abgaseintrittsanordnung gezeigt, bei der der abgeflachte Teil des Auspuffrohres 14 mit dem Reaktor l6 über ein Bimetallventilkörper in Verbindung steht, der an der Wandung des Abschnitts 14 so befestigt ist, daß er die wirksame Fläche der Öffnung, durch die die Abgase in den Reaktor 16 hineinströmen, verändert. Wenn der zugehörige Motor mit geringen oder mäßigen Drehzahlen und/oder unter leichter Last läuft, so sind weder die Drücke noch die Temperaturen der Abgase besonders hoch, so daß der Ventilkörper 40 in einer Betriebsstellung verharrt, wie sie im wesentlichen gezeigt ist, wodurch eine wirkungsvolle Einschnürung der Querschnittsfläche der Einlaßöffnung geschaffen wird. Wenn der Motor in einem hohen Leistungsbereich betrieben wird, und die Auspuffgase heisser sind und in verhältnismäßig großer Menge anfallen, dann biegt sich das Bimetallventilelement 40 abwärts, so daß die wirksame Eintrittsquer-

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schnittsfläche vergrößert wird, um eine größere Strömungsmenge in den Reaktor 16 bei einem Dgegebenen Differenzdruck einzulassen. Auf diese Weise wird die Strömung nahezu tangential bezüglich des Reaktors 16 geführt, jedoch vermieden, daß bei großen Motorleistungen zu hohe Gegendrücke entstehen, weil in diesen Fällen die temperaturempfindliche Vorrichtung die Querschnittsfläche mit der Abgaseintrittsöffnung vergrößert.

Eine etwas andere AusfUhrungsform einer Eintrittsflächensteuerung ist in Fig. 6 dargestellt. Bei dieser Vorrichtung wird ein federbelasteter Ventilkörper 42 durch eine Spiralfeder 44 so belastet, daß er den durch den abgeflachten Abschnitt des Auspuffrohres strömenden Abgasstrom einen gewissen Widerstand entgegensetzt. Sobald die Strömungsmenge oder die Geschwindigkeit ansteigt, vergrößert sich der auf den Ventilkörper 42 und damit auf der Feder 44 lastende Druck. Auf diese Weise wird die wirksame Querschnittsfläche aufgrund dieser höheren Motorleistung vergrößert. Wie bereits erwähnt wurde, hat sich als sehr vorteilhaft herausgestellt, die Zufuhr der kalten Eintrittsluft zu begrenzen, da eine zugeführte Luftme'^e, die diejenige zur Unterhaltung der Verbrennung erforderlich· übersteigt, eine Senkung der Temperatur im Reaktor l6 bewirkt und damit die Verbrennungsgeschwindigkeit herabsetzt. Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform verwendet einen Ventilkörper zur Veränderung der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung 18 als Folge der Veränderungen der Abgaseintrittsöffnungsf"läche, die von dem Ventilkörper 42 gesteuert wird. An den Ventilkörper 42 sind Gelenkglieder 46 und 48 angebracht, die einen Ventilkörper 50 über der Einlaßöffnung 18 bewegen. Bei dem Leerlauf des Motors entsprechenden

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Abgasströmen befindet sich der Ventilkörper 42 in einer Stellung, in der er die Durchgangsfläche verengt, während die wirksame Fläche der Eintrittsströmung ihr Maximum aufweist. Bei hohen Abgasströmen, wenn sich der Ventilkörper 42 öffnet, verschieben die Glieder 46 und 48 den VentilkCrper 50 in eine Richtung, in der die wirksame Fläche der Lufteintrittsöffnung 18 sich verkleinert.

Figur 7 zeigt eine Teilschnittansicht eines Reaktors, der mit einem LufteinlaBventil ausgerüstet ist, das auf eine Gasdruckdifferenzt anspricht, wodurch die wirksame Fläche des Lufteinlasses gesteuert wird. Bei dieser AusfUhrungsform ist der Reaktor 16 in Schnittansicht gezeigt, wobei die Abgaseintrittsöffnung 26 in der Nähe seines Umfange angeordnet ist. An der Stirnseite des Reaktors l6 sind mehrere Stutzkörper 52 befestigt, die eine Platte 54 tra-

gen, welche so beweglich ist, daß sie für die Lufteintrittsöffnung 18 eine veränderliche Sperre bildet. Die Platte 54 bewegt sich aufgrund der auf ihr lastenden Gasdruckdifferenz gegen den Widerstand einer Anzahl schwacher Federn 56, die auf den Stützkörpern 52 getragen werden. Wenn sich bei dieser Vorrichtung der Motor im Leerlauf befindet, halten die Federn die Lufteintrittsöffnung in der maximalen Öffnungsstellung. Zu Beginn einer durch die Öffnung 26 hindurch in den Reaktor Ib erfolgenden mäßigen Strömung entsteht ein kleiner Unterdruck, aufgrund dessen die Platte 54 in Richtung auf die Öffnung 18 gegen die Kraft der Federn 56 gezogen wird, wodurch die wirksame Fläch« für den Lnfteintritt verringert wird. Wenn die Strömung dmrch die öffnung 26 sich verstärkt, sobald der Motor eine größere Betriebsleistung abgibt, dann wirkt auf die Innenseite der Platte 54 in einer Richtung, die den Federn 5t> ent-

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gegengesetzt ist, ein erheblicher Unterdruck ein, aufgrund dessen die Platte 5k sich nach innen bewegt, wodurch weniger Luft in den

Reaktor 16 einströmen kann, um sich mit den Abgasen zu mischen, * weil für starke Drosselungen eine geringere Luftmenge erforderlich ist.

In Fig. 8 sind in einem Teilquerschnitt ein Reaktor 16 sowie eine Einlaßöffnung 26 dargestellt, die denen von Fig. 7 ähnlich sind, jedoch eine etwas andere Anordnung zur Steuerung der Eintrittsluft aufweisen. Bei dieser Vorrichtung wird die Luft durch die Öffnung 18 aus einer einen kleineren Durchmesser aufweisenden zylindrischen Verlängerung 58 zugeführt, die mehrere radial versetzt angeordnete Öffnungen 60 aufweist. Die Virkungsflache des Strömungswegs für die Luft, die die Luft auf ihrem Weg in den Reaktor 16 passieren muß, wird von einer kreisrunden Platte 62 gesteuert, die auf der Innenseite der zylindrischen Verlängerung 58 wandert. Die Platte 62 ist an einer Stange 6k befestigt, die ihrerseits mit einer Druckübertragung 66 gekoppelt ist, die auf den momentanten Druck anspricht, der in der Ansaugleitung des zugehörigen Motors herrscht. Die Druckübertragung 66 kann irgendeiner in der Technik bekannten Form entsprechen. Offensichtlich ist eine der einfachsten Formen diejenige, bei der eine Balgvorrichtung so angeschlossen ist, daß sie unmittelbar auf den in der Ansaugleitung herrschenden über- oder Unterdruck reagiert, um dadurch die Stange 6k zusammen mit der kreisförmigen Platte 62 in axialer Richtung zu verschieben. Bei geschlossener Drossel ist ein höherer Anteil an Giftstoffen vorhanden, so daß eine größere Luftmenge erforderlich ist. Bei höheren

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« Motorleistungen ist der Abgasstrom stärker, jedoch wird weniger Luft benötigt, weil der Anteilteil der Giftstoffe geringer ist. Deshalb bewegt die Druckübertragung die Platte 62 bei steigendem . Druck in der Ansaugleitung (Verringerung des Unterdrucks) in eine Richtung, in der die Querschnittsfläche sich verkleinert. Obgleich dies Nachteile mit sich bringen würde, weil die Druckübertragungsvorrichtung möglicherweise verschmutzt, könnte die Druckübertragungsvorrichtung auch von der Abgasleitung aus gesteuert werden. In einem solchen Fall würde die Fläche für die Lufteintrittsöffnung mit abnehmenden Druck in der Abgasleitung sich vergrößern.

In Fig. 9 ist gleichfalls ein Teilquerschnitt eines Reaktors 16 dargestellt, der mit einer Lufteintrittsöffnung 18 sowie mit einer einen kleineren Durchmesser aufweisenden Verlängerung 68 versehen ist, die einen Flanschkörper 70 aufweist, an dem eine kreisförmige Platte 72 angebracht ist. Die Platte 72 ist im Inneren so geformt, daß sie eine leicht gekrümmte Oberfläche 7h besitzt, die die in radialer Richtung zwischen dem Flansch 70 und der Platte strömende Eintrittsluft sanft in einer Axialströmung in Richtung auf die Öffnung 18 lenkt. Die für die Vorrichtung von Fig. 9 charakteristische Strömung kennzeichnet sich dadurch, daß sie direkt proportional der Öffnungsfläche ist, die zwischen dem Flansch 70 und der Platte 72 vorhanden ist, multipliziert mit dem Quadrat des über dieser Öffnung vorhandenen Druckverlustes.

Eine ähnliche Ausführungeform ist in Fig. 10 gezeigt, bei . der ein im Teilquerschnitt dargestellter Reaktor 16 einen einen kleineren Durchmesser aufweisenden zylindrischen Teil lh besitzt,

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der an ihm befestigt ist und eine Lufteintrittsöffnung 76 begrenzter Querschnittsfläche aufweist. Man erkennt, daß die Eintrittsöffnung 18, die dem Inneren des Reaktors 16 Luft zuführt, flächenmäBig kleiner ist als bei den meisten oben beschriebenen Ausführungsformen, und daß diese kleinere Öffnungsfläche mit einer Vielzahl kleiner Öffnungsflächen 76, 78 und 80 zusammenwirkt, die in axialer Richtung nicht miteinander fluchten. Auf diese Weise wird die Eintrittsluft auf ihrem Weg von außen ins Innere des Reaktors 16 über einen etwas verschlungenen Pfad geführt, der mit steigendem Strömungsvolumen einen wachsenden Pumpwiderstand verursacht. Es wurde gefunden, daß die in diese Vorrichtung erfolgende Luftströmung direkt proportional der durchschnittlichen Fläche dieser Öffnungen, multipliziert mit dem über diesen Öffnungen herrschenden Druckabfall, ist. Bei der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform, hat sich herausgestellt, daß während des Leerlaufs und des Abbremsens ein etwas höherer Prozentsatz an Verbrennungsluft zur Verfügung gestellt wird als bei der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung, jedoch eine geringere Verbrennungsluftmenge bei höheren Drehzahlen.

Figur 11 zeigt eine Aueführungsform des erfindungigemäßen Reaktors, bei der da· Verbrennungsluftvolumen mit Hilfe einer Anordnung gesteuert wird, die auf das Reaktorabgasvolumen anspricht. Der bei dieser Ausführungsform verwendete Reaktor l6 besitzt an ,seinem Austrittsende einen nach außen gerichteten Flansch 84, an dem mehrere Bolzen 86 befestigt sind. Auf dem Bolzen 86 wird eine Platte getragen, und jeder Bolzen ist mit einer schwachen Spiralfeder 87 ausgerüstet, die zwischen dem Flansch Bk und der Platte 88

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angeordnet ist. In der Mitte der Platte 88 ist das eine Ende einer langgestreckten Stange 90 befestigt, deren anderes Ende eine kleine Platte 92 trägt, die in Verbindung mit der Eintrittsöffnung 18 zur Steuerung der wirkenden Fläche des LufteinlaBquerschnitts dient. Die Stange 90 wirdVan dem Eintrittsende mit Hilfe mehrere Schenkel 94 getragen, die auf der Außenseite des Reaktors 16 und an einer zentral gerichteten Nabe 96 befestigt sind. Bei der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsform wirkt bei verhältnismäßig schwachen Abgasströmungen, die aus der Öffnung 26 austreten, ein begrenzter Druck auf die Platte 88 ein, und die Fläche, durch die das Abgas emitiert wird, wird etwas verengt, weil- der im Reaktor 16 herrschende Druck nicht ausreicht, um die Platte 88 nach außen gegen die von den Federn 87 aufgebrachte Kraft zu bewegen, die die Platte 88 in einer Stellung halten möchte, die die kleinste Abgasaustrittsfläche bildet. Dementsprechend wird die Platte 92 ebenfalls in einer Stellung gehalten, die für die Eintrittsluftstarnung einen minimalen Strömungsquerschnitt freigibt. Wenn sich die von der Abgasöffnung 26 kommende Strömung wesentlich verstärkt und sich der Druck innerhalb des Reaktors 16 vergrößert, dann wird die Platte 88 nach rechts bewegt, wodurch die Federn 87 gedehnt werden und die effektive Abgasdurchströmungsflache sich vergrößert. Gleichzeitig bewegt sich die Platte 92 ebenfalls nach rechts, wodurch die wirksame Fläche zwischen der Platte 92 und den Rändern der Eintrittsöffnung 16 größer wird. Somit wird zwischen der Fläche der Abgasöffnung und der Fläche der Lufteintrittsöffnung eine direkte Abhängigkeit aufrechterhalten.

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Es hat sich herausgestellt, daß für viele Anwendungsfälle die Abgastemperatüren an der Stelle ihres endgültigen Austritts, wie ' sie bei den beschriebenen Reaktoranordnungen anzutreffen ist, aus

Sicherheitsgründen zu hoch liegtn, weil die gewünschte Verbrennung im Reaktor zu Temperaturen führt, die zwischen 649 und 87i°C liegen. Der in Fig. 12 dargestellte Reaktor 16 weist eine Lufteintrittsöffnung 18 und eine Abgaseintrittsöffnung 26 auf. In diesem Fall ist der Reaktor mit einer Stirnplatte 98 versehen, die eine gekrümmte innere Oberfläche 100 besitzt, welche so liegt, daß sie die Abgas- , strömung radial aus dem Reaktor hinaus leitet. Diese Radialströmung bewirkt, daß Luft von außerhalb durch mehrere Öffnung 102 in der Scheibe 98 eingesaugt und dem Abgas zugemischt wird. Eine Stirnansicht des Reaktors, die die Oberfläche der Platte 98 zeigt, ist in Fig. 12a zu sehen. Durch eine geeignete Wahl der Quersehnittsflachen der Öffnungen 102 läßt sich die außerhalb befindliche und erreichbare Kühlluftmenge, die dem Abgas zugemischt werden soll, ausreichend groß machen, so daß der gewünschte Kühleffekt für die Abgase eintritt. Ein zusätzlicher Vorteil dieser neuartigen Anordnung besteht darin, daß durch diese Vermischung die EmissionVon Kohlenmonoxyd aus dem Reaktor erheblich verringert werden kann.

Eine etwas andere Anordnung zur Durchführung der Vermischung von Außenluft und Abgas ist in F^g. 13 dargestellt, wobei das Auspuffrohr iO ein Übergangsstück 12 sowie einen abgeflachten Eintrittsabschnitt Ik aufweist, der tangential an dem Reaktor 16 angebracht ist. Die Verbrennungsluft-Eintrittsöffnung ist bei dieser besonderen Ausführungsform mit einem Rohr 104 versehen, dessen Durchmesser kleiner ist als der Reaktordurchmesser. Selbstverständlich lassen

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sich auch die im vorigen beschriebenen anderen Anordnungen verwenden. Am Abgasende des Reaktors 16 ist ein spiralförmiger Körper 106 eingebaut, der dazu dient, die Axialkomponente der Abgasbewe-. gung in eine Radialbewegung zu verwandeln, so daß das Abgas durch eine Austrittsöffnung 108 ausgeblasen wird. Da die Abgase innerhalb des Körpers 106 spiralenförmig strömen, entsteht in der Nähe der Mitte des Körpers ein niedrigerer Druck, und an dieser Stelle ist eine Lufteintrittsöffnung 110 vorgesehen. Aufgrund des innen herrschenden tieferen Druckes strömt die Luft von außen durch die Eintrittsöffnung 110 in die Spirale 106 hinein und vermischt sich mit den Abgasen, bevor diese aus der Abgasöffnung 108 ausströmen. Durch dieses Vermischen werden sowohl Temperatur der Abgase als auch der Kohlenmonoxydgehalt der Abgase herabgesetzt.

Eine andere Vorrichtung zum Vermischen der Abgase mit Außenluft ist in schematische Form in Fig. 14 dargestellt. Dabei enthält der Reaktor 16 eine Lufteintrittsleitung 112 und «ine Abgasaustrittsleitung 26. Am Abgasende des Reaktors 16 befindet eich eine Prallplatte 114, die eine leicht gekrümmte innere Oberfläche aufweist, mit der die Abgasströmung in radialer Richtung nach außen gelenkt werden soll. Zu der Abgasöffnung 11b, die in diesem Fall in einem einan kleineren Durchmesser aufweisenden Reaktorteil 118 endet, gehört eine Venturi-Anordnung, in der der einen kleineren Durchmesser aufweisende Abschnitt 118 und der gekrümmte Teil der Stirnplatte 114 mit dem gekrümmten, äußeren Hülsenkörper 120 zusammenwirken. Sobald aus der Öffnung 116 ein merklicher Abgasstrom emitiert wird, entsteht an der Einlaßöffnung 122 des VenturiteiXs ein Unterdruck, der Außenluft nach innen zieht, wie dies

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durch die Pfeile angedeutet ist, «ro sie «it dem Abgasetro« vermischt wird, bevor dieser in radialer Richtung an der Austrittsöffnung, neben der Ablenkungsplatte 114 ausgestoßen wird. Diese Mischvorrichtung dient ebenfalls sowohl zur Senkung der Temperatur dee Abgasstroms als auch seines Kohleneonoxydgehalts.

Figur 15 zeigt eine weitere Ausführungsfora der neuartigen Abgasbehandlungsvorrichtung, in der eine Anordnung vorgesehen ist, durch die den Abgasen in einer festgelegten oder proklamierten Menge, während sie durch den Reaktor hindurchströmen, Eintrittsluft zur Verbrennung zugesetzt wird« Die Gase treten in den Reaktor durch die tangentiale Abgaseintrittsöffnung 26 ein, die der im obigen beschriebenen entspricht, wobei allerdings die Stirnwand des Reaktors 16, neben der Eintrittsöffnung 16 geschlossen ist. An der Stirnwand ist ein Rohr 124 befestigt, das von der Stirnwand getragen wird und sich über die ganze Länge des Reaktors 16 erstreckt. Am anderen Ende wird das Rohr 124 von eine* Prallkörper .126 getragen, dessen Hauptfunktion darin besteht, die Abgasströmung radial nach außen zu lenken, nachdem sie den Reaktor passiert hat. Längs des Rohres 124 sind mehrere Öffnungen 128 angeordnet. Diese Öffnungen ermöglichen, daß die in das offene Ende des Rohres 124 einströmende Luft mit den Abgasen vermischt wird, jedoch mit einem Mengenverhältnis, das von der wirksamen Querschnittsfläche der Öffnungen längs des Rohres 124 festgesetzt ist. In der Nähe der Abgaseintrittsöffnung soll möglichst nur eine begrenzte Menge Luft zugesetzt werden, um einen erheblichen Temperaturabfall des Gemisches zu verhindern. Deshalb ist in diesem Bereich für die durch die Öffnungen 128 strö-

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mende Luft nur eine verhältnismäßig kleine wirksame Fläche vorgesehen. In dem Maße wie die kreisförmige Strömung im Reaktor 16 dem Abgasende zuströmt, nimmt die Anzahl der Öffnungen 128 zu, wodurch zur Unterhaltung der Verbrennung eine wachsende Luftmenge zur Verfügung steht. Obgleich kreisrunde Öffnungen gezeigt sind, sind für spezielle Anwendungsfälle auch andere Öffnungsformen denkbar. Somit weist diese Vorrichtung besondere Vorteile hinsichtlich der Aufrecht erhaltung der Verbrennungstemperaturen auf, so daß die Verbrennung mit maximal möglicher Geschwindigkeit vor sich gehen kann. Diese Vorrichtung läßt sich selbstverständlich auch in Verbindung mit einem den Reaktor 16 umgebenden, wärmeisolierenden Mantel verwenden, wie dies im folgenden beschrieben wird, oder in den Fällen, in denen die Temperaturkondensation ein besonderes Problem darstellt, in Verbindung mit einem zweistufigen Reaktor, der eben- ' falls im folgenden beschrieben wird.

Figur 16 stellt eine einfache schematische Zeichnung eines L-förmigen Verbrennungsmotors 130 dar, dem mehrere Reaktoren 132, 13^ und 136 aufweist, die Jeder unmittelbar an gegabelten Abgasöffnungen des Motors angeschlossen sein können. Um jede Unklarheit bezüglich des Anschlusses der Reaktoren an dem Motor zu beseitigen, ist in gestrichelter Darstellung eine einfache, blockartige Luftleitung gezeigt, durch die den einzelnen Reaktoren die Luft zugeführt wird. Jeder dieser Reaktoren gibt die behandelte Abgasströmung dann in eine einzelne Abgasleitung 138 ab. Man wird erkennen, daß für einen Motor so viel solche kleine Reaktoren verwendet werden können, wie Abgasöffnungen des Motors vorhanden sind, daß aber auch eine sehr einfache Sammelleitung vorgesehen werden kann, die

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zwei oder drei Zylinder an einen einzigen Reaktorkörper anschließt. Im Falle des vorherrschenden V-8-Motors könnte vorzugsweise iür jede Zylindergruppe nur ein einziger Reaktor vorgesehen werden.

In Fig. 17 wird ein zweistufiger Reaktor gezeigt, der einen ersten Reaktorteil 16 und einen abgeflachten Abgasleitungsteil aufweist, der durch eine Öffnung 26 in den Abgasreaktor in der oben beschriebenen Weise mündet. Eine Lufteinlaßleitung 140 versorgt die erste Stufe des Reaktors mit Verbrennungslust. Die aus dem einstufigen Reaktor 16 ausgetragenen Gase strömen durch eine Aus-

tragsöffnung 142 in den zweistufigen Reaktor 144, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Reaktors 16, weil in dieser Verfahrensstufe niedrigere Drücke herrschen. Vie oben beschrieben, werden die in den Reaktor eingespeisten Gase im wesentlichen tangential zur inneren Oberfläche des zylindrischen Reaktorteils so gelenkt, daß sich eine spiralförmige Strömung entwickelt, wie sie im Hinblick auf die erste Stufe beschrieben wurde. Wiederum wird aufgrund des kleineren Druckes im Zentrum dieser spiralförmigen Strömung Verbrennungsluft in den Reaktorteil 144 durch eine Eintrittsöffnung 146 eingesogen. Auf diese Weise werden die im Reaktorteil i6 nicht verbrannten Giftstoffe im Reaktor 144 verarbeitet, bevor sie durch die Austrittsöffnung 148 ausgeblasen werden.

Wie bereits erwähnt wurde, hat sich als außerordentlich vorteilhaft herausgestellt, zu große Mengen kalter Luft davon abzuhalten, im Bereich der Abgaseintrittsöffnung in den Reaktor zu strömen. Bei der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform ist der Reaktor 16 mit einer Abgaseintrittsöffnung 26, einer Lufteintrittsöffaung 18 und einem Wärmeaustauscher 150 versehen, der aAußenluft

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aufnimmt und in Berührung mit der Oberfläche des Reaktors 16 steht, und zwar in einem Maße, das ausreicht, um eine beträchtliche Erwärmung der Außenluft zu erreichen, bevor diese durch eine Leitung. 152 der Eintrittsöffnung 18 zugeführt wird. Zusätzlich zur Speicherung, der Wärme für die in der Kammer 16 stattfindende Reaktion weist der Wärmeaustauscher noch den Vorteil auf, daß er dem abstromseitigen Teil des Reaktors Wärme entzieht, wodurch die Temperatur des Abgases gesenkt wird, bevor es in die Atmosphäre entlassen wird.

Bei der in Fig. 19 dargestellten Ausführungsform enthält der Grundreaktorkörper 16 eine Abgaseintrittsöffnung 26 und eine Lufteintritisöffnung 18. In der Abgasaustrittsöffnung befindet eich ein Prallkörper 154, der dazu dient, die Abgasströmung in radialer Richtung vom Reaktor weg nach außen zu lenken. Eine Isolierschicht 156 umgibt den Reaktorkörper 16 und soll zur Förderung des Verbrennungsprozesses die Wärmespeicherung unterstützen. Bei den vorhenschenden Temperaturen wurde gefunden, daß eine reflektierende Isolierung erheblich wirkungsvoller ist als die gewöhnliche Mineralfäserisolierung, die bei wesentlich tieferen Temperaturen mehr Vorteile bietetn. Aus diesem Grund weist die bevorzugte Form der Isolierungsschicht 156 an der Oberfläche des Reaktors 16 oder in ihrer unmittelbarer Nachbarschaft eine Lage oder Lagen-eines sehr stark reflektierenden Metalls auf, das die Wärmestrahlen in den Reaktor zurücklenkt und die Wärmestrahlungsverluste nach außen auf ein Mindestmaß beschränkt. AuQerhdb, konzentrisch um diese reflek- ·' tierende Schicht kann vorzugsweise eine Mineralfaser-Isolierungsschicht angeordnet werden. Man erkennt, daß diese Isolierungs-

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schicht zusätzlich zur Wärmespeicherung auch noch eine Dämpfung . des Laras bewirkt, der sonst von der Wandung des Reaktors 16 nach außen abstrahlt.

Ein zusätzliches Merkmal dieser Ausführungsfor« bildet ein spiralförmiger oder schneckenförmiger Prallkörper 158 im Inneren des Reaktors 16. Dieser Prallkörper erfüllt einen doppelten Zweck: Zunächst gibt er der Abgasströmung einen schneckenförmigen oder spiralförmigen Verlauf, so daß der gewünschte und notwendigerweise langgestreckte Strömungspfad erreicht wird, der eine zusätzliche Zeit für die Vollendung der Verbrennung schafft. Außerdem wurde fettgestellt, daß die meiste Schallenergie innerhalb des Reaktors 16 das Bestreben zeigt, in axialer Richtung durch den Reaktor hindurch und direkt aus der Austrittsöffnung auszustrahlen. Durch Einbau dieses Prallkörpers wird diese axiale Schallausbreitung so wirkungsvoll gehindert, daß die von dem Reaktor abgestrahlten Schallpegel mindestens so niedrig liegen wie die normalerweise mit den besten, genormten Automobilauspufftopfen erzeugten Schallpegel. Figur 19a stellt einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 19 dar, der durch den Eintrittsteil Xk des Reaktors und die Eintrittsöffnung 26 verläuft und mit Blickrichtung auf die Lufteintrittsöffnung 18 gezeichnet ist. Das Einströmen des Gases in den Reaktor und die Bewegung des Schalls während des Eintretens in den tangantialen, abgeflachten Abgasrohrteil Ik werden durch die gestrichelten' Pfeile dargestellt, während das zirkulierende Abgas im wesentlichen rund um den Umfang herum strömt, wie dies durch die ununterbrochenen Pfeile gekennzeichnet ist. Der Schall wandert mit diesem Gas, bis er die Zone erreicht, in der das Gas zu rotieren beginnt, dort wird

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er in Richtung auf die Achse oder das Zentrum des Rotors abgelenkt, wo er das Bestreben zeigt, sich in Wärmeenergie zu verwandeln. Somit wird durch diese Reaktoranordnung eine bedeutende Schalldämpfung swi.rkung erreicht, obgleich keine zusätzlichen Einrichtungen für die Schallemission vorgesehen sind. Der durch einen keinen Prallkörper aufweisenden Reaktor übertragene Schall neigt dazu, wie bereits festgestellt wurde, in axialer Richtung durch den Reaktor hindurch und aus der Abgasöffnung nach außen zu wandern. Das Vorhandensein des Prallkörpers 158 verhindert im wesentlichen diese axiale Ausbreitung. Figur 19b stellt einen sehr stark vergrößerten Teil der Wandung des Reaktors 16 dar, der in Figur 19 gezeigt ist, wobei Pfeile, die denjenigen von Figur 19a ähnlich sind, hier zur Kennzeichnung dafür dienen, daß der Schall in Richtung zur Mitte zu gelenkt wird, wie dies durch die gestrichelten Teile angedeutet ist, obgleich die Abgasetrumung einen is wesentlichen um den Umfang erfolgenden oder "radartigen" Verlauf zeigt, wie er durch die ununterbrochenen Pfeile angezeigt wird.

In Figur 20 ist ein Abgasreaktor dargestellt, der dem insbesondere in Figur 3 gezeigten ähnlich ist, und der an einem typischen Kraftfahrzeugmotor 156 angebracht ist, der eine Abgassammelleitung l60 und ein Kurbelgehäuse-Belüftungsrohr 162 aufweist. Die Abgassammelleitung ist mit dem Auspuffrohr 10 verbunden, das seinerseits in der oben beschriebenen Weise an den Reaktor 16 angeschlossen ist. Eine Lufteintrittsleitung 164 dient zur Zufuhr von Verbrennungluft für den Reaktor 16. An die

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Lufteintrittsleitung Ib^ sowie an den Motor 158 ist eine ' L_eitung 166 angeschlossen, die mit den Kurbelgehäuse oberhalb des in ihn befindlichen Olspiegels in Verbindung steht. Aufgrund der de« Reaktor 16 eigenen Pumpwirkung wird Luft aus der Atmosphäre in die EinlaQleitung ±6k in der oben beschriebenen Weise eingesaugt. Gleichzeitig wird der von dem Reaktor 16 und von der durch die Leitung *164 strömenden Luft erzeugte tiefere Druck durch die Leitung 166 in das Kurbelgehäuse des Motors weitergeleitet. Dies hat zur Folge, daß durch die Belüftungsleitung 162 Luft in das Kurbelgehäuse einströmt, wo sie die normalen Durchblasgase, die sich in diesem Bereich zu sammeln pflegen, verdrängt, so daß diese Gase durch die Leitung 166 und die Leitung lGk hindurchgesaugt werden. Sie werden dann mit der einströmenden Luft in dem Reaktor 16 vermischt und dadurch im Reaktor verarbeitet.

Figur 21 ist ein graphisches Schaubild, aus dem eine Anzahl Abhängigkeiten ersichtlich ist, die beim Betrieb der in Figur gezeigten Vorrichtung beobachtet werden können. Dazu kommt, daß diese Abhängigkeiten oder Funktionen mit denjenigen verglichen werden, die in den gegenwärtig benutzten Vorrichtungen mit Kurbelgehäuse-Zwangsbelüftung auftreten. Wie bereits festgestellt wurde,, sind die im Kurbelgehäuse der Motoren vorhandenen Durchblasgase mit unverbrenntem Kraftstoff angereichert, und zwar einmal deshalb, weil der Durchblasvorgang teilweise vor der Zündung beim Kompressionshub erfolgt und teilweise während des Verbrennungsvorgang, wobei sehr hohe Zylinderdrücke auftreten,

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zum anderen deshalb, weil ein Teil des Gases in der Nähe der Zylinderwand aft nicht vollständig verbrennt. Bei dem üblichen Kurbelgehäuse-Beltiftungssystem ist die von dem Kurbelgehäuse kommende Leitung mit der Ansaugleitung verbunden. Man erkennt, dafl eine der in dem graphischen Schaubild von Figur 21 dargestellten Beziehungen die Abhängigkeit des Saugdrucks in der Ansaugleitung von dem Zylinderkopfdruck betrifft. Wenn der in der Saugleitung herrschende Unterdruck sein Maximum aufweist, dann herrscht der kleinste Zylinderkopfdruck, wobei die Beziehung im wesentlichen linear in Richtung auf den Punkt verläuft, in dem der Zylinderkopfdruck ein Maximum erreicht und der Unterdruck in der Saugleitung ein Mimlmum. Die diese Abhängigkeit darstellende unterbrochene Linie wird von einer durchgezogenen Linie gekreuzt, die mit "Zylinderkopfdruck und Durchblasvolumen* bezeichnet ist. Diese Darstellung zeigt, daO sich das Durchblasvolumen direkt mit dem Zylinderkopfdruck ändert. Der in der Saugleitung herrschende Unterdruck von dem der Betrieb des bekannten Kurbelgehäuse-Zwangsbelfiftungssystem abhängt, ändert sich dagegen in der entgegengesetzten Richtung. Der Unterdruck in der Saugleitung weist zu einem Zeitpunkt einen hohen Wert auf, zu dem eine nur kleine Menge Durchblasgas erzeugt wird, dagegen einen sehr niedrigen Wert, wenn die erzeugte Menge an Durchblasgas am größten ist. Diese Abhängigkeit zeigt in klarer Weise die begrenzte Wirksamkeit der bekannten Vorrichtung bei . der Behandlung des anstehenden Problems, selbst wenn die oben angeführten Schwierigkeiten mit dem üblicherweise benutzten Ventilglied außer Betracht bleiben. Auf der rechten Seite des Schaubild»

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ist auf der senkrechten Achse der von de« Abgasreaktor erzeugte Unterdruck in Meter Wassersäule aufgetragen. Außerdem erkennt Mn, daS das Schaubild eine unterbrochene Linie enthält, die eine im wesentlichen lineare Abhängigkeit aufzeigt, ausgehend von eines kleinsten Unterdruck im Abgasreaktor und eines kleinsten Zylinderkopfdruck bis zu eines Druckwert von etwa l/lO ■ Wassersäule lsi Reaktor bei Maximales Zylinderkopfdruck. Sosit verändert sich das von des in Fig. 20 gezeigten Abgasreaktor 16 erzeugte Vakuum an der Lufteintrittsöffnung direkt proportional zu des herrschenden Zylinderkopfdruck und zum Volumen der Durchblasgase, die in dem zuge hörigen Motor erzeugt werden. Auf diese Welse wird durch eine einfache Leitung 166, die sich vom Kurbelgehäuse zur Verbrennungsluft-Eintrittsöffnung des Reaktors 16 erstreckt, eine ideale Kerbelgehäusebelüftung erreicht, die proportional den Erfordernissen ist. Ein wesentlicher Teil der Wartungsprobleme, die bei den bekannten Kurbelgehättsezwangsbelttftungsvorrichtungen auftreten, gründet sich auf der obengenannten umgekehrten Abhängigkeit zwischen dem in der Saugleitung herrschenden Unterdruck und dem Zylinderkopfdruck, weil extrem starke Ansaugvakuua bei kleiner Leistungsabgabe in typischer Weise die Ursache dafür sind, daß einige Öltropfen in die Kammer des Zwangsbelüftungsventils für das Kurbelghäuse hineingesaugt werden, die sich anhäufen und schließlich die ordnungsgemäße Betriebsweise des Ventils stören. In dem erfindungsgemäßen System werden keine derartigen Ventile für irgendwelche sich bewegenden Teile verwendet, so daß für das Kurbelgehäusezwangsbelüftungssystem keine Wartung erforderlich ist.

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Die Tatsache» daß von dem Abgasreaktor, wie aus Pig. 21 ersichtlich ist, ein wirkliches Vakuum erzeugt wird, ist von großer Bedeutung, weil die Erfahrung gezeigt hat, daß der Reaktor in der. Lage"ist, in der Abgassammelleitung unter gewissen Betriebsbedingungen der Maschine mögliche negative Drücke zu liefern. Somit werden nicht nur im Zentrum der Spiralströmung negative Drücke erzeugt, die Verbrennungsluft von außen in den Reaktor hineinsaugen, sondern der Reaktor wirkt auch in der Weise, daß er die Abgassammelleitung des Moto» spült. Auf diese Weise trägt er mehr zur Erhöhung der Motorleistung bei, als'die Motorleistung schwächt, wie dies bei den gegenwärtig benutzten Abgasverunreinigungssteuervorrichtungender EaIl ist sowie bei den meisten .Auspufftöpfen. Der Durchechnittsauspufftopf erzeugt einen Abgasgegendr uok vonannähernd 0,75 m Wassersäule, wohingegen der bei dem erfindungsgemäßen Reaktorsystem gemessene Gegendruck zwischen tatsächlich negativen Werten und Werten um 0,075 - 0,15 m Wassersäule schwankt. Die Ursache für diese Wirkung scheint darin zu liegen, daß die infolge der extrem hohen Geschwindigkeit entstehenden Drücke, die zu einem Zeitpunkt erzeugt werden, zudem sich das Abgasventil öffnet, eine hohe Strömungsgeschwindigkeit mit einem hohen Gehalt an kinetischer Energie zur Folge haben. Die kinetische. Energie wird durch die spiralförmige oder schneckenförmige Strömung, die an der gekrümmten inneren Reaktoroberfläche stattfindet-im Reaktor gespeichert. Bei den oben beschriebenen Vorrichtungen, die einen Abgasprallkörper verwenden und in den Hg. 11, 12, 13, 15, 18 und19

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gezeigt sind, wird diese gespeicherte Energie in Form von Zentrifugalenergie an der Abgasöffnung in Radialgeschwindig- ,

keit umgesetzt. Daraus ergibt sich im Reaktor ein tieferer Druck, der durch den Reaktor hindurch als gesenkter Abgassammelleitungsdruck rilckübertragen wird. Selbst dort, wo die Abgasprallplatte weggelassen ist, kann eine ähnliche Druckabnahme festgestellt werden. Der durch dieses Merkmal gegebene Vorteil ist wesentlich, «weil die daraus entspringende Verbesserung des Motorbetriebs so beträchtlich ist, daß sich die Verwendung des Reaktors selbst dann noch lohnen würde, wenn er weder die Vorteile bezüglich der Schallsteuerung noch den technischen Fortschritt bezüglich der Abgasemissionssteuerung aufweisen würde.

In Fig. 22 ist eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform des neuartigen Abgasreaktors gezeigt, die insbesondere in den Fällen Vorteile bietet, wo die für den Einbau zur Verfügung stehenden Abmessungen den Einsatz einer langen Röhre erschweren oder unmöglich machen. Bei dieser Ausführungsform weist der (Jrundreaktorteil 170 eine Abgaseintrittsöffnung 26 und eine Lufteintrittsöffnung 172 auf, wie sie oben beschrieben wurden. Wenn die sich schraubenförmig oder spiralförmig bewegenden Gase am Ende des Teils 170 angekommen sind, werden sie mit Hilfe einer Endprallplatte 174 umgelenkt und gezwungen, in radialer Richtung nach außen zu strömen, b^sis'auf die Yfändung eines zylindrischen Körpers 176 treffen, der mit der Endplatte

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in Verbindung steht. Diese Wandung lenkt die Gase zurück, so. daß sie über die äußere Oberfläche des Teils 170 strömen, bis sie,auf eine Stirnwand eines äußeren Gehäuses auftreffen und • 'in einen Strömungspfad abgelenkt werden, der zwischen der Außenseite der Wandung 176 und dem Gehäuse liegt, von dem aus sie zu einer Austrittsöffnung 180 strömen. Diese Ausführungsform bietet zusätzlich zur Baumeinsparung auch Vorteil bezüglich der Wärmespeicherung, da die auf der Außenseite des Teils 170 vorbeiströmenden Gase die Wärmeleitung durch die Wandung des Teils 170 wirksam herabsetzen. Da der Hauptteil der Reaktion innerhalb des Innenteils oder allenfalls *in den beiden inneren Teilen stattfindet, kann für das Gehäuse 178 beinahe jede beliebige Querschnittsform vorgesehen werden, beispielsweise ein Quadrat, Eechteck, Oval etc., die von dem für den Einbau zur Verfügung stehenden Haum abhängig gemacht werden kann.

Eines der schwierigsten Probleme, die bei den Abgasemisaionssteuerungen auftreten, besteht in der Steuerung der Emissionen von Diesellastwagen und Bussen und anderen von Dieselmotoren angetriebenen fahrzeugen. Kein heute im Handel erhältliches System ist für Dieselmotoren wirklich geeignet. Obgleich häufig viele dunkle Rauchschwaden beobachtet werden können und der Geruch des Abgases sehr unangenehm ist, entspricht der Dieselmotor jetzt den für Kalifornien bezüglich der'Kohlenwasserstoff- und

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Kohlenmonoxydemissionen festgelegten Standardwerten* Wenn die Motoren stark beschleunigt werden, sind jedoch roher Kraftstoff, Rauch und andere Verunreinigungen in beträchtlicher Konzentration in Dieselabgasen vorhanden.

die Sieseiabgase bei einem stetigen Betriebszustand normalerweise zu sauber sind, um zu brennen, braucht die hier beschriebene Reaktorvorrichtung nur intermittierend in Betrieb genommen zu werden. Somit sind eine oder mehrere der oben, angeführten Zündvorrichtungen, beispielsweise eine Zündkerze erforderlioh. Diejenigen Personen, die kommerzielle Dieselmotoranlagen betreiben, haben sich aus Wirtschaftlichkeitserwägungen ständig gegen die Verwendung von Abgassystemen gewehrt, die erhebliche Gegendrücke erzeugen. Derartige Gegendrücke sind jedoch beinahe eine notwendige Erscheinung, die beim Einsatz der heute zur Verfügung stehenden wirkungsvollen Auspufftöpfe auftritt. Durch die oben beschriebenen Vorteile bezüglich der Senkung oder gänzlichen Vermeidung von Gegendrücken sowie der Schaffung einer wirkungsvollen Schalldämpfung entkräftet der erfindungsgemäße Reaktor den Einwand hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit derartiger Vorrichtungen, während er gleichzeitig eine bedeutende Betriebsverbesserung bewirkt.

ι Obgleich verschiedene Ausführungsformen des neuartigen

Reaktors gezeigt und beschrieben worden sind, sind die meisten von ihnen nur als weitere Ausgestaltungen des Grundsystems anzusehen. Offensichtlich können viele Merkmale dieser ver-

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sohiedenen Ausführungsformen so miteinander kombiniert werden, daß sie den speziellen Anforderungen Rechnung tragen· So können die beschriebenen Ausbildungen der Einlaßanordnung in den meisten Eällen zusammen mit irgendeiner Form der Abgasöffnung verwendet werden· Auch der Wärmeaustauscher läßt sich zusammen mit jeder Abgasöffnungsausbildung und mit der Kurbelgehäusezwangsbeltiftungsvorrichtung einsetzen· Obgleich der Grundreaktor als im wesentlichen zylindrisch beschrieben wurde, ist diese form nur für die ersten paar Zentimeter hinter der Eintrittsöffnung des Heaktors erforderlich, so daß zur Nutzung des zur Verfugung stehenden Platzes und in Anpassung an .die besonderen Probleme auoh Toraenfür den Reaktor gewählt werden können, in denen viele Quersohnittsabnessungen auftreten.

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Claims

PATENTANWÄLTE DipUng. MA-RTIN .LICHT

PATENTANWÄLTE LICHT, HANSMANN, HERRMANN /MJ Dr. R E I N H O L D S C H M I D T

8MONCHEN2.THERES.ENSTRASSE33 ·ΤΙ· Dipl.-Wirtsch.-Ing. A X E L HANSMANN

Dipl.-Phys. SEBASTIAN HERRMANN

JOE W. VON BRIMER Sherman Oaks, California Valley Vista 14556 V. St. A.

HERMAN P. ROTH Manhattan Beach, California Anderson 311

V. St. A.

Mönchen,den 13. Dezember 1967

Ihr Zeichen Unser Zeichen

Ke/Wö

Patentanmeldung: Abgas-Behandlungsvorrichtung

PATENTANSPRÜCHE

1. Abgas-Behandlungsvorrichtung für Verbrennungskraftmaschinen, gekennzeichnet durch ein Auspuffrohr (10), das so an den Motor angeschlossen ist, daß es dessen gasförmige Verbrennungsprodukte aufnimmt und das in einem teilweise abgeflachten Endabschnitt (H) mündet j eine Reaktorkammer (16) mit einem im wesentlichen zylindrischen Querschnitt, der sich wenigstens über einen erheblichen Teil der Kammerlänge erstreckt, mit einer Lufteinlaßöffnung (1ö) an dem einen Kammerende, einer Abgasaustrittsöffnung an dem anderen Kammerende und einer länglichen Abgaseintrittsöffnung (26) in der Seitenwand der Kammer, in der Nähe des die Lufteinlaßöffnung (1Ö) aufweisenden Endes, wobei der abgeflachte Endabschnitt (14) des Auspuffrohres (10), der mit der Abgaseinlaßöffnung (26) verbunden ist, im wesentlichen tangential zu der Reaktorkammer (16) verläuft,

Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtjch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann t> MBNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon. 21121» · Telegramm-Adreste: Upaili/MOnchen . Bankverbindungen: Deutsche Bank AG, Filiale München, Dep.-Ka«M Viktualienmarkt, Konto-Nr. 70/30<3β Bayer. Vereinibank MOnehen, Zweie«t. Ojkor-von-Miller-Rina, Kto.-Nr. 8824« · Posticheck-IConfo: München Nr. 1ί33»7

so daß der Abgasstrom in tangentialer Richtung gegen die zylindrische, innere Oberfläche der Reaktorkammer (16) und fast lotrecht zur Achse des Reaktors gerichtet ist und mit von der Lufteintritt soff mmg (1Ö) kommender luft so vermischt wird, daß eine kreisende Strömung entsteht, deren Axialkomponente bezüglich der Reaktorkammer (16) um so größer wird, je weiter sie sich der Abgasauslaßöffnung (20) nähert und in der die große Winkelgeschwindigkeit einen gegen die innere Reaktorwand gerichteten höheren Druck und in der Nähe der Reaktorachse einen tieferen Druck erzeugt, wobei der tiefere Druck ein Einströmen von luft durch die Lufteinlaßöffnung (1Ö) bewirkt.

2 ο Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorkammer (16) mit einer Hochtemperaturzündvorrichtung (28) versehen ist.

3. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (32, 40, 42, 54, 62, 72, 92) zur Veränderung der wirksamen Hache der Lufteintrittsöffnung (18) vorgesehen ist.

4. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 3,. dadurch gekennzeichnet, daß die die wirksame ELäche verändernde Vorrichtung auf die Gasströmung im Auspuffrohr (10) anspricht.

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5. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Atispruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Hache der lufteinlaßöffnung (18) verändernden Vorrichtung auf den in der Reaktorkammer (16) vorhandenen Gasdruck anspricht.

6. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Abgasaustrittsöffnung Luftzumischungs-Öffnungen (102) vorgesehen sind, die dazu dienen, die Abgas mit Luft aus der Umgebung zu vermischen, bevor sie in die Atmosphäre entlassen werden,

7. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem abgeflachten Endabschnitt (14) des Auspuffrohres (10) eine Ventilvorrichtung (32, 40, 42) zur Veränderung der wirksamen Durchströmungsfläche des Endabschnitts befindet.

8. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abgasaustrittsöffnung (20) des ersten Reaktors (16)ein zweiter Abgasreaktor (144) mit einer zylindrischen Reaktionskammer und einer Lufteintrittsöffnung (146) angeschlossen ist, wobei die Verbindung eine Austragsöffnung enthält, durch die der Abgasstrom auB dem ersten Reaktor (16) im wesentlichen tangential in die Reaktionskammer des zweiten Reaktors· (144) strömt, ,

9. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß an dem zweiten Reaktor ein Wärmeaustauscher (150)

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angeschlossen ist, mit dem Wärme von dem Reaktor auf die in dem Wärmeaustauscher befindliche Umgebungsluft übertragen wird, und daß zwischen dem Wärmeaustauscher (150) und der Lufteintrittsöffnung (1Ö) eine leitung (152) zur Beförderung der erwärmten Luft zu der lufteintrittsöffnung (1Ö) zwischengeschaltet ist.

10. Äbgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Heaktorkammer (16) zur Steuerung der Abgasströmung ein schneckenförmiger oder spiralförmiger Prallkörper (15Ö) angeordnet ist.

11. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Steigung des Prallkörpers (158) so verändert, daß die Strömung in der Nähe der Äbgaseintrittsöffnung (26) fast in Umfangsrichtung gelenkt wird und nur eine kleine Axialkomponente aufweist, während die Strömung in der Nähe der Abgasaustrittsöffnung (20) eine größere Axialkomponente besitzt.

12. Äbgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heaktorkammer (16) von einer Isolierung (156) umgeben ist.

13· Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (156) eine Wärme reflektierende Schicht in der Nähe der Eeaktorkammer und eine diese umhüllende

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Schicht einer Hochtemperaturmineralisolierung aufweist.

14. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- ·

kennzeichnet, daß das Kurbelgehäuse des Motors (159) und die luft- · eintrittsöffnung (164) durch die leitung (166) so verbunden sind, daß die im Kurbelgehäuse befindlichen Durchblasgase in die Lufteintrittsöffnung der Reaktorkammer (16) strömen.

15. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der tangential zur zylindrischen inneren Oberfläche des Reaktors und fast lotrecht zu seiner Achse in die Reaktorkammer einströmende Abgasstrom in eine kreisförmige Strömung gezwungen wird, die eine große Winkelgeschwindigkeit aufweist und deren Strömungspfad von Kammerende zu Kammerende spiralförmig verläuft und die sich weiter durch einen einen verhältnismäßig niedrigen Druck aufweisenden Kern kennzeichnet, der durch die Lufteintrittsöffnung (1Ö) luft in den Reaktor einzieht, die in turbulenter Weise mit dem spiralförmig strömenden Abgasstrom vermischt wird, wobei die vermischten Gase sowohl bezüglich des auf sie einwirkenden Druckes als auch der Temperatur zentrifugal wirkend er Gradienten ausgesetzt sind, durch adiabatische Kompression erhitzt werden und turbulent-vermischt werden,wodurch die Oxydation der unverbrannten Gase innerhalb des Abgasstroms eine Beschleunigung erfährt.

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Ißt Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste im wesentlichen zylindrische, mit einer Lufteintrittsöffnung (18) und einer Abgaseintrittsöffnung .(26) versehene Reaktionskammer (16) von einem zweiten Körper (176) umgeben ist_r dessen Wandung im wesentlichen koaxial zu der ersten Reaktionskammer verläuft und einen stirnseitigen Körper (174) aufweist, der mit ihr in der Weise zusammenwirkt, daß er den Abgasstrom über einen großen Teil der äußeren Oberfläche (170) der ersten Reaktionskammer umlenkt, und daß wenigstens teilweise außerhalb des zweiten Körpers (176) ein dritter Körper (178, 1Ö0) angeordnet ist, mit dem der Abgasstrom in eine gewünschte Richtung umlenkbar ist.

17. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor zwei Rohre aufweist, von denen das erste eine Lufteintrittsöffnung und eine Abgasaustrittsöffnung aufweist und das zweite mit dem Motor und dem ersten Rohr in der Nähe der Iufteintrittsöffnung so in Verbindung stßht, daß die von dem zweiten Rohr kommende Strömung im wesentlichen tangential zur inneren Oberfläche des ersten Rohres und nahezu lotrecht zu dessen Achse gelenkt wird, woduroh inner halb des ersten Rohres eine Kreisströmung hoher Geschwindigkeit erzeugt wird, die hohe Drücke gegen die innere Oberfläche des ersten Rohres bewirkt und niedrige Drücke längs der Rohrachse, und daß die Lufteintrittsöffnung in bezug auf die Achse so angeordnet ißt, daß das in den Reaktor hineinströmende Abgas Luft

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in den Reaktor einsaugt, die sich mit dem Abgas vermischt, und daß das entstehende Gemisch aus Abgas und Luft sich in einer Kreisströmung durch den Reaktor "bewegt, "bei der die Axialkomponente immer größer wird, je weiter sich die Strömung der Abgasaustrittsöffnung nähert,

18· Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem ersten Rohr eine Zündvorrichtung befindet.

19. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die.Zündvorrichtung wenigstens eine Zündkerze aufweist·

20· Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 19, daduroh gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung wenigstens einen Glüh*., kopf aufweist,

21. Abgas-Behandlungevorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung mit wenigstens einem Grlühdraht versehen ist.

22, Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündvorrichtung wenigstens eine'katalytisch Zündeinrichtung enthält,

.23, Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 17, daduroh

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gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen(32, 40, 42) zur Veränderung des wirksamen Strömungsquerschnitts auf den in der Ansaugleitung des zugehörigen Motoa& herrschenden Druck anspricht.

24· Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (32, 40, 42) zur Veränderung des wirksamen Strömungsquerschnitts auf den Druck des in dem zweiten"Rohr befindlichen Abgasstromes anspricht.

25. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (120) vorgesehen sind, mit denen dem Abgas Umgebungsluft zumischbar ist, bevor das Abgas durch die Austrittsöffnung ausgetragen wird.

26· Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel eine VenturianOrdnung beinhalten, die mit der Austrittsöffnung (116) so zusammenwirkt, daß sie die Umgebungsluft dem Abgasstrom zumischt·

27, Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß' die Vorrichtung zur Vermischung von Umgebungsluft mit dem Abgas eine Strömungsablenkungseinrichtung (114) aufweist, mit der der Abgasstrom in radialer Richtung aus der Austrittsöffnung heraus-lenkbar ist.

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28. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Einrichtung zur Lenkung des Abgasstromes eine schneckenförmige Leitvorrichtung (158) ist, die wenigstens einen¹ Strömungspfad "begrenzt und das Abgas in radialer Richtung atilenkt, und daß die Eintrittsöffnung für die Umge"bung3luft mit dem Strö- . mungspfad in Verbindung steht.

29. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Vermischung von Umgebungsluft· mit Abgas mehrere Öffnungen (122) aufweist, die die radial gerichtete Abgasströmung so mit der Außenluft verbinden, daß die durch die Öffnungen einströmende Luft sich mit dem Abgasstrom ändert.

30. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 17_t dadurch gekennzeichnet, daß in das zweite Rohr eine Ventilvorrichtung eingebaut ist, die zur Veränderung der wirksamen iläche zwischen dem Austritts aus dem zweiten Rohr und dem Eintritt in das erste Rohr dient.

31· Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilvorriohtung auf den Abgasstrom im zweiten Rohr anspricht.

32. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 17» gekennzeichnet durch ein drittes Rohr (124), das im wesentlichen konzentrisch

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innerhalb des ersten Rohres (16) angeordnet ist, sich über einen beträchtlichen Teil der länge des ersten Rohres erstreckt und an seinem einen Ende mit der Umgebungsluft in Verbindung steht, am anderen Ende hingegen geschlossen ist und mehrere radiale Öffnungen (128) aufweist, die die in dem dritten Rohr befindliche Umgebungsluft dem im ersten Rohr (16) befindlichen Abgas zuführen.

33β Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (128) längs des dritten Rohres (124) so angeordnet sind, daß sie einen wachsenden Wirkungsbereich bilden, durch immer größere Mengen Umgebungsluft dem Abgas zugemischt* werden, wenn das Gas durch das erste Rohr (16) von der Eintrittsöffnung (26) zur Austrittsöffnung (126) wandert.

34·. Abgas-Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 33» dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasaustrittsöffnung eine Platte (88) enthält, die die Axialströmung der Abgase blockiert und die Abgase radial aus dem ersten Rohr hinauslenkt·

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