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Gemis chverdichtende, fremdgezündete Brennkraftm maschine.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine gemischverdichtende, fremdgezündete
Brennkraftmaschine mit Einrichtungen im Abgassystem zur Verminderung der teil- bzw.
nicht verbrannten Bestandteile im Abgas.
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Einrichtungen um die teil- bzw. nicht verbrannten Bestandteile im
Abgas bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Fahrzeugmotoren herabzusetzen, können
im Ansaug- oder im Abgas system vorhanden sein.
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Nach einem älteren Vorschlag wird die Herabsetznng der nicht verbrannten
Bestandteile dadurch erreicht, daß sowohl im Ansaug- als auch im Abgassystem derartige
Einrichtungen vorhanden sind. Tm Ansaugsystem handelt es sich dabei um gemischverbessernde
Einrichtungen und im Abgassystem um Nachbrenner.
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Es ist auch bekannt, sowohl gemischverbessernde Einrichtungen im Ansaugsystem
als auch Nachbrenner im Abgas system je gesondert für sich zu verwenden.
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Diesen Einrichtungen haften verschiedene Nachteile an, Bei den im
Ansaugsystem angeordneten Einrichtungen sind komplizierte Steuersysteme für die
Zusatzbrennluft erforderlich, im weiteren ein verhältnismässig grosser Raumbedarf
an Stellen, wo man klein bauen will.
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Verwendet man nur Einrichtungen die im Abgassystem wirksam sind, dann
erfolgt bei Verwendung von Katalysatoren ein zuspätes Einsetzen der Nachverbrennung
infolge zu geringer Temperatur bei Kaltstart.
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Nach dem California- und.Europatest sind aber gerade bei Kaltstart
Einrichtungen erforderlich, die die dort anfallenden verhältnismässig hohen CO und
CH- Anteile sehr weit herabsetzen müssen, da gerade
im Stadtverkehr
die Abgase entgiftet werden sollen.
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Verwendet man nun Nachverbrenner, die auch beim Kaltstart, d.h., bei
geringer Motorleistung eine weitgehende Entgiftung der Abgase gestatten, dann hat
man entweder den Nachteil, daß man Zusatzluft zuführen muss und jetzt einen verhältnismässig
grossen Nachbrenner baut, wobei die Steuerung der Zusatzluft aufwendig ist, oder
aber man nimmt einen kleinen Nachbrenner und führt die zur Verbrennung erforderliche
Zusatzluft im Ansaugsystem zu, dann hat man aber den Nachteil, daß Leistungsverlust
bei Vollast auftritt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und die
teil- bzw. nichtverbrannten Bestandteile im Abgas soweit herabzusetzen , daß sie
den Bedingungen des California- und Europa-Testes genügen, dabei die Einrichtung
aber nur einen sehr geringen Raumbedarf aufweist und keinerlei Leistungsverlust
bei Volllast verursacht.
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Die Lösung der Aufgabe nach der Erfindung besteht darin, daß der Eintritt
der Abgase in die Einrichtung in einen Nachbrenner abhängig von der Stellung eines
von der Motorleistung beeinflussten
Umlenkorganes ist.
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Nach dieser Ausführung wird ein grundsätzlicher neuer Weg beschritten.
Die im Abgas system angeordnete Einrichtung wird nur in einem gewollten Bereich
der von der Motorleistung und l oder Motordrehzahl abhängig ist, von den Abgasen
durchströmt. In der Regel wird diese Einrichtung nur im unteren bzw. mittleren Lastbereich
des Motors wirksam werden, im oberen Lastbereich wer~ den die Abgase den Motor auf
einem Wege verlassen, der Leistungsverluste nicht verursacht bzw. die Abgase werden
durch einen normalen Auspufftopf mit Schalldämpfer ins Freie gelangen.
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Eine zweckmässige Ausbildung besteht darin, daß ein Nachbrenner im
Nebenschluß zum Auspuffrohr liegt.
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Das Umlenkorgan wird also entweder die Abgase durch den Nachbrenner
leiten oder aber der Nachbrenner wird umgangen bzw. für die £1:gase kurz geschlossen.
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Eine konstruktive Vereinfachung ergibt sich darin, daß der Nachbrenner
in einen das Auspuffrohr umgebenden Mantel untergebracht ist.
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Durch diese Ausbildung kann man praktisch einen normalen Auspufftopf
für die Herabsetzung der nichtverbrannten Bestandteile im Abgas verwenden.
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Weitere Möglichkeiten bestehen dann, daß dem Nachbrenner in Strömungsrichtung
ein Vorraum vorgeschaltet ist, welcher die Eintrittsöffnungen für die Auspuffgase
aufweist.
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Durch diesen Vorraum ergeben sich mehrere Kombinationsmöglichkeiten,
auf die später noch eingegangen wird.
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Bei einer Ausbildung , bei dem Eintrittsöffnungenv in einen Vorraum
führen ist es wichtig, daß'das Umlenkorgan eine Drosselklappe ist, welche in Strömungsrichtung-
gesehen hinter den Eintriftsöffnungen liegt.
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Verwendet man eine derartige Drosselklappe, dann ist es erfindungswesentlich,
daß die exzentrisch gelagerte Drosselklappe zum Staudruck entgegen einer Schließfeder
bewegt im Stadtverkehrsbereich z. B. bei Geschwindigkeiten von 50 bis 80 kmh geschlossen
ist.
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Die geschlossene Drosselklappe zwingt die Abgase durch den Nachbrenner
zur Abgasentgiftung zu gehen.
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Für die Steuerung der Drosselklappe bestehen die-verschiedensten Möglichkeiten.
Eine besonders zweckmässige Art besteht darin, daß die Steuerung der Drosselklappe
durch an sich bekannte Steuer- bzw. Regeleinrichtungen abhängig von der Leistung
- und / oder Geschwindigkeit des Fahrzeuges bzw. Motors erfolgt.
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Eine einfache Art der Steuerung erfolgt dadurch, daß die in Strömungsrichtung
vor der- DrosseLklappe liegenden Eintritt öffnungen so au.sgebildet sind, daß bei
grösseren Durchströmgeschwindigkeiten sich der Staudruck auf die Drosselklappe erhöht.
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Nimmt man als Regelgrösse den Staudruck der Abgase, dann erreicht
man dadurch, daß im oberen Lastbereich , d. h. bei grösserwerdendem Staudruck oder
höherer Motorleistung sich die Drosselklappe ganz oder teilweise öffnet und jetzt
die Abgase ohne. zusätzlichen Strömungswiderstand ins Freie gelangen. Ein Leistung
verlust wird also dadurch bei grösseren Motorleistungen verhindert.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß sich im Vorraum des
Nachbrenners
Heizkörper befinden.
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Durch diese Anordnung bestehen für den Nachbrenner folgende Kombinationsmöglichkeiten
: a) es ist nur ein Heizkörper , der z. B. elektrisch geheizt wird, vorhanden, b)
der Heizkörper ist mit einem anschließenden Nachbrenner kombiniert, der Nachbrenner
kann mit oder ohne katalytische tasse funktionieren, c) es ist nur der Nachbrenner
alleine vorhanden. Der Vorraum dient nur zur ZUführung der Abgase > ggfs. können
die Abgase aber ohne einen Vorraum direkt in den Nachbrenner geführt werden.
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Verwendet man elektrische Heizkörper bzw. Glühspiralen für die Nachverbrennung,
dann ist es wesentlich, daß die-Heizkörper elektrisch beheizte Glühspiralen sind,
deren Einschaltung durch die Zündung der Brennkraftmaschine eingeleitet und deren
Abschaltung durch die im Nachbrenner erreichte Glühtemperatur erfolgt.
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Durch diese Ausbildung erreicht man, daß beim Kaltstart sofort eine
weitgehende Entgiftung der Ab-gase erfolgt, der dann aber sich selbst aufheizende
Heizkörper dann weiter als Nachbrenner wirk- -sam ist, und jetzt die Stromzufuhr
abgeschaltet wird.
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Um sich rasch wiederholende Aus- und Einschaltungen abhängig von
der Heizkörpertemperatur zu vermeiden, ist erfindungsgemäss vorgesehen, daß in Strömungsrichtung
den Nachbrenner nachgeschaltet ein Heizkörper mit grosser Wärmekapazität befindet.
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Diese zusätzlichen Heizkörper hält also die Temperatur im.Nachbrenner
auf annähernd gleicher Höhe, so daß dadurch Schaltungsvereinfachungen und eine Entlastung
der Fahrzeugbatterie stattfindet.
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Der Nachbrenner selbst kann in verschiedenen an sich bekannte Ausführungen
verwandt werden. Eine bevorzugte Ausführung bestellt darin daß der Nachbrenner mit
eine@ katalytiscll wirksamen Masse gefüllt ist.
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Wesentlich ist immer, daß die Eintritts- und Austrittsöffnungen des
Nachbrenners so angeordnet sind, daß den Abgasen eine grösste
Weglänge
zugeordnet ist Durch diese Maßnahme will man erreichen, daß eine etwa verwendete
katalytische Masse so weitgehend ausgenutzt werden kann, daß der Nachbrenner selbst
nur einen geringen Raumbedarf aufw-eist.
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Für derartige Ausführungen ist es zweckmässig, daß die im Nachbrennraum
angeordnete katalytisch wirksame Masse z. B. von anoxydierender Stahlwolle bzw.
Stahlspänen gebildet wird.
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Eine weitere Möglichkeit um den Wirkungsgrad des Nachbrenners zu erhöhen
besteht darin, daß den Abgasen für den Nachbrenner Wasser bzw. Wasserdampf zugesetzt
ist.
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Wesentlich ist ferner, daß dem Nachbrenner soviel Brennluft zusätzlich
zugeführt wird, um vom Leerlaufgemisch herrührende unverbrannte Bestandteile in
den Abgasen zu verbrennen.
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Bei den letztgenannten Ausführungen wird man erfindungsgemäss so vorgehen,
daß zusätzlich zum Nachbrenner gemischverbessernde, an sich bekannte Einrichtungen
im Ansaugkanal des Vergasers
vorhanden sind, die den Abgasen in
den Lastbereichen des Stadtverkehrs Sauerstoff von mindestens 2% zufügen.
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Auf die Zuführung von Zusatzluft direkt zum Nachbrenner wird hieralso
bewusst verzichtet, um diesen Nachbrenner räumlich klein zu halten und um komplizierte
Steuereinrichtungen im Abgassystem zu vermeiden Die gemischverbessernden Einrichtungen
im Ansaugkanal werden so ausgebildet, daß bewusst im Stadtverkehrsbereich bzw. im
Bereich des California- bzw. Europatests mit Sauerstoffüberschuß gefahren wird.
Nach Verlassen dieses Bereiches , der in der Regel von der MotorLeistung abhängig
ist, wir.d um-die Flammge-
schwindigkeit nicht ungünstigt zu beeinflussen, dann im
reich normal gefahren, d.h. nicht mit einem erhöhten Anteil an Sauerstoff.
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Als allgemeine Konstruktionsrichtlinie , um den Nachbrenner klein
zu halten, ist noch wesentlich, daß die Eintritt und Austrittsöffnungen des Nachbrenners
senkrecht zur allgemeinen Strömungsrichtung der Abgase liegen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt,
dabei gehen aus der Zeichnung und der Beschreibung hierfür
noch
weitere Erfindungsmerkmale hervor.
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Im Auspuffrohr 1 kommt das Abgas aus den Zylindern und tritt in den
Nachbrenner 2 ein. In diesem befindet sich eine exzentrisch gelagerte Drosselklappe
3. Der Nachbrenner bzw. der Nachverbrenner ist in zwei Räume bei der Ausführungsform
unterteilt.
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Der eine ist der zentrale Gasdurchströmraum 4 , der andere der eigentliche
Nachverbrennungsraum 5. Beide Räume sind durch die Rohrwand 6 getrennt. Die
der Drosselklappe 3 Eintrittsöffnungen 7 für die Abgase hat. Beim Ausführungsbeispiel
sind im oberen Teil des Nachverbrennungsraumes 5 Heizkörper 8 vorhanden. Im unteren
Teil, d.h.- im Anschluß an den Nachverbrennungsraum 5 können Heizkörper 9 grosser
Wärmekapazität angeordnet sein, bzw. es kann dort ein Material nur mit hoher Wärmekapazität
vorhanden s ein, um im Nachverbrennungsraum 5 eine annähernd gleichbleibende Temperatur
während seines Betriebes zu gewährleisten.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Nachverbrennungsraum 5 mit einem Katalysator
gefüllt. Ein preisgünstiger Katalysator ist anoxydi e rt e Stahlwolle oder Stahlspäne,
die durch iiberhitzten Wasserdampf von
mehr als- 500 OC anoxydiert
werden.
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Wie schon angegeben, wird der Test für die Abgasentgiftung nach -den
Bestimmungen des California- oder Enropazyklusses mit kaltgestartetem Motor vorgenommen.
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Es hat sich gezeigt, daß Katalysatoren erst am Ende des Testes ansprechen,
da vorher die erforderliche Temperatur fehlt.
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Um die Verbesserung der Abgasentgiftung, insbesondere bei Kaltstart
zu erreichen, sind Maßnahmen notwendig, die zusätzlich wirtschaftlich durch diese
Erfindung gelöst werden, Die Abgasentgiftung soll hauptsächlich im Stadtverkehrsbereich
stattfinden.
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Diese liegt bei Null bis 50 km/h mit Verschiebungen nach oben bis
80 km/h. Es ist deshalb notwendig, das System so auszu.-bilden, daß es im unteren
Bereich besonders wirksam ist. Bei grösserer Geschwindigkeit treten erstens weniger
Giftgase aus und zweitens ist das Fahrzeug dann ausserhalb der Städte bzw.
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Ortschaften, wo die Abgasentgiftung nicht vorgeschrieben ist.
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Die exzentrisch gelagerte Drosselklappe 3 wird durch die Scllliel3-feder
11 in ihre geschlossene Lage , die gezeichnet, festgehalten.
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Die Feder ist so justiert, daß' sie gegenüber dem- Staudruck der auf
den längeren Teil der Drosselklappe wirkt, nachgiebt, wenn sich ein Gasdurchgang
einstellt, der mehr als 50 km z. B. entspricht. Sie öffnet sich ganz, wenn der Gasdurchgang
eine Geschwindigkeit von z. B, 80 km /b und mehr erreicht hat. Die Löcher 7 in der
Rohrwand 6 sind so bemessen, daß sie den Gasstrom z. B. bis 50 kmIh ohne wesentlichen
Widerstand durchlassen und erst darüber der Strömungswiderstand ansteigt und somit
ein stärkerer Druck auf die Drosselklappe 3 stattfindet.- Dadurch müssen die Abgase
in dem gewünschten Bereich z. B.. bis 50 km/h ganz durch den Raum des Nachverbrenners
durchgehen. wls-chen-50 bis 80 km/h geschieht dies zum Teil nur und darüber ist
infolge des angewa'chsenen Staudruckes auf die Drosselklappe 3 diese ganz geöffnet
und der Abgasstrom geht total oder fast total durch dem Gasdurchströmraum 4 in Pfeilrichtung
12, welche die Strömungsrichtung ist, Hindurch. Die Heizkörper 8 sind im Vorraum
13 , der dem Nachbrenner 5 vor geschaltet ist, in der Inneren Rohrwandung 6 untergebracht.
Nachbrenner und Vorraum werden von dem gemeinsamen Mantel 14 umschlossen. Durch
diesen Mantel wird eine Rundform, der in den Abgasen angeordneten Einrichtung erreicht.
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Selbsverständlich kann hier aber jede beliebige andere Form gewählt
werden.
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Die Abgase verlassen in Pfeilrichtung 15 den Nachbrenner, um dann
in Pfeilrichtung 16' entweder in das Freie oder in das Auspuff.rohr einzutreten.
In die Rohrstutzen 17, 18 kann Wasser bzw. Wasserdampf in Pfeilrichtung 19 zugesetzt
werden. Selbsverständlich kann diese Zufuhrung auch an anderen -Stellen erfolgen,
sofern- das zweckdientich ist. Der Heizkörper oder die Glühspirale 8 wird vorzugsweise
bei Einschalten der Zündung elektrisch aufgeheizt und schaltet sich ab, wenn durch
die Nachverbrennung die' Temperatur erreicht ist, die ein selbstständiges Glühen
des Heizkörpers bewirkt bzw. der nachgeschaltete Katalysator die entsprechende Temperatur
erzeugt.
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Als Anwendun.gsgebi'et der Erfindung sind alle Möglichkeiten zubezeichnen,
um Abgase in einem Bereich zu entgiften, der abhängig von der Motorleistung gewählt
werden kann. Dabei ist es umgekehrt, falls erwünscht genauso möglich, die Abgase
in oberen Lastbereich nur zu entgiften, und im unteren Bereich nicht. Durch die
Steuerung eines Umlenkorganes lassen sich also bestimmte Lastbereiche herausgreifen,
in denen man auf die Abgase in dem einer oder anderen Sinne einwirken will. Selbstveständlich
könnte man statt Abgasentgiftung auch irgendwelche Bestandteile den Abgasen
zusetzen,
oder wegnehmen. Wesentlich ist nur, daß die Abgase nicht mehr direkt in die Atmosphäre
eintreten, sondern wahlweise durch Einrichtungen geführt werden, welche die Bestandteile
der Abgase beeinflussen.
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Patentansprüche