DE19711681B4

DE19711681B4 - Katalytische Verbrennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19711681B4
Application number: DE1997111681
Authority: DE
Inventors: Shinichi Kariya Mashimo; Yasuo Kariya Kondo; Akio Kariya Matsuoka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1997-03-20
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2017-03-21
Also published as: JPH10153306A; JP3531387B2; DE19711681A1

Abstract

Katalytische Verbrennungsvorrichtung mit folgenden Bauteilen:
einem Katalysatorkörper (2, 3) zum katalytischen Verbrennen eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft, wobei der Katalysatorkörper (2, 3) in einer Ringform mit einem Durchgangsloch (2b, 3b) in seiner Mitte ausgebildet ist;
einer Kraftstoffzuführeinrichtung (10, 12), die an einer Seite des Katalysatorkörpers (2, 3) zur Zufuhr von Kraftstoff angeordnet ist;
einer Luftzuführvorrichtung (7, 8), die an einer Endseite des Katalysatorkörpers (2, 3) zur Zufuhr von Luft zur Verbrennung angeordnet ist;
einem Verbrennungszylinder (4), der den Katalysatorkörper (2, 3) enthält und eine Vorgemischkammer (13) an der anderen Endseite des Katalysatorkörpers (2, 3) ausbildet, wobei die Vorgemischkammer (13) zum Mischen des Kraftstoffs, der von der Kraftstoffzuführvorrichtung (10, 12) zugeführt wird und durch das Durchgangsloch (2b, 3b) hindurchtritt, und der Luft dient, die von der Luftzuführeinrichtung (7, 8) zugeführt wird und durch das Durchgangsloch (2b, 3b) hindurchtritt, wobei die Vorgemischkammer (13) auch zum Ändern einer...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine katalytische Verbrennungsvorrichtung, die geeignet in einem Heizsystem oder einem Trocknungssystem eingesetzt wird.
Herkömmlich war eine katalytische Verbrennungsvorrichtung bekannt, die mit einer Kraftstoffzuführvorrichtung zur Zufuhr von Kraftstoff und einer Luftzuführvorrichtung zur Zufuhr von Luft ausgestattet ist, wobei ein Gemisch aus dem durch die Kraftstoffzuführeinrichtung zugeführten Kraftstoff und der durch die Luftzuführeinrichtung zugeführten Luft durch einen Katalysator verbrannt wird. In der katalytischen Verbrennungsvorrichtung wird keine Flamme erzeugt und daher tritt kein Ruß auf. Darüber hinaus unterdrückt die katalytische Verbrennungsvorrichtung die Abgasemission zum Zeitpunkt der Zündung oder des Auslöschens stark, wie sie bei einer Flammenverbrennung hervorgerufen würde, so daß sie bemerkenswert wirkungsvoll als ein Heizsystem eines Elektrofahrzeuges ist, bei dem es erforderlich ist, daß die Abgase sauber sind.
Zur Aufrechterhaltung der katalytischen Verbrennung in der zuvor erwähnten katalytischen Verbrennungsvorrichtung ist es erforderlich, daß die Luft zur Verbrennung immer vorgeheizt wird, um den Katalysator anzuregen. Wenn ein derartiges Vorheizen durch eine elektrische Heizeinrichtung ausgeführt wird, steigt der verbrauchte elektrische Strom an. Insbesondere ist es bei dem Elektrofahrzeug nicht geeignet, die elektrische Heizeinrichtung aufgrund der Beschränkung der Batteriekapazität einzusetzten, die einen erhöhten elektrischen Stromverbrauch erfordert.
Wenn die Luft zur Verbrennung durch einen Brenner vorgeheizt wird, beschlägt der Katalysator mit Ruß, so daß ein Verbrennungswirkungsgrad durch den Katalysator verschlechtert werden kann. Darüber hinaus ist beim Zünden der Katalysator zu kalt, um hinreichend angeregt zu werden. Folglich besteht ein Problem darin, daß die durch den Brenner erzeugte Abgasemission möglicherweise unverändert ausgestoßen wird.

Zur Lösung dieses Problems ist, wie in der JP 60-30908 A offenbart ist, ein Abgaszirkulationsrohr zur Verbindung der stromaufwärtigen Seite mit der stromabwärtigen Seite der katalytischen Verbrennungsvorrichtung vorgesehen, und die Luft für die Verbrennung wird vorgeheizt, indem ein Teil der Abgase zur stromaufwärtigen Seite der katalytischen Verbrennungsvorrichtung rückgeführt wird.

Andererseits ist in der JP 4-320710 A eine katalytische Verbrennungsvorrichtung vorgeschlagen, bei der das vorgemischte Gas aus Kraftstoff und Luft, das einem Gasdurchtritt in einer Katalysatorschicht zugeführt wird, beschleunigt wird, indem es durch eine Einspritzdüse tritt, so daß ein Teil des Abgases aufgrund einer durch die Beschleunigung hervorgerufenen Entspannungswirkung zirkuliert werden kann, und das vorgemischte Gas wird vorgeheizt.

Gemäß diesen herkömmlichen Verbrennungsvorrichtungen kann die Luft zur Verbrennung vorgeheizt werden, um die Verbrennung zu stabilisieren, ohne daß eine getrennte Heizeinrichtung wie beispielsweise eine elektrische Heizeinrichtung oder ein Brenner erforderlich ist.

Es ist jedoch bei der herkömmlichen, in der JP 60-30908 A offenbarten Vorrichtung unvermeidbar, daß die Verbrennungsvorrichtung große Abmessungen annimmt, weil das Abgaszirkulationsrohr außerhalb der Verbrennungsvorrichtung angeordnet ist. Entsprechend besteht ein Problem darin, daß es schwierig ist, das Heizsystem auf einem Fahrzeug mit einem begrenzten Raum zu montieren.

Da es andererseits bei der herkömmlichen, in der JP 4-320710 A offenbarten Vorrichtung notwendig ist, die Luft und den Kraftstoff vorab zu vermischen, ist ein zusätzliches Gerät zum Mischen erforderlich. Außerdem ist eine Vielzahl von Gasdurchtritten in der Katalysatorschicht ausgebildet und eine entsprechende Anzahl von Einspritzdüsen sollte vorgesehen sein. Dadurch steigt die Anzahl der Bauteile unvermeidbar an, der Aufbau wird kompliziert und die Herstellkosten steigen an.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die vorstehend beschriebenen Probleme und hat zur Aufgabe, eine katalytische Verbrennungsvorrichtung zu schaffen, die einen vereinfachten Aufbau mit kleinen Abmessungen hat, während die Luft zur Verbrennung durch Zirkulieren des Abgases vorgeheizt wird, so daß eine zufriedenstellende katalytische Verbrennung verwirklicht ist.

Erfindungsgemäß ist ein ringförmiger Katalysatorkörper zum katalytischen Verbrennen eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft in einem Verbrennungszylinder angeordnet und Zuführeinrichtungen zur Zufuhr des Kraftstoffs und der Luft sind an einer Endseite des Katalysatorkörpers angeordnet, während eine Vorgemischkammer zur Vorbereitung eines Gemischs des Kraftstoffs und der Luft an der anderen Endseite des Katalysatorkörpers angeordnet ist. Darüber hinaus werden der Kraftstoff und die Luft in einer Vorgemischkammer vermischt, indem der Kraftstoff und die Luft von der einen Endseite des Katalysatorkörpers durch ein Durchgangsloch zugeführt werden, das in einem mittleren Abschnitt des Katalysatorkörpers ausgebildet ist. Eine Strömungsrichtung des Gemisches wird in der Vorgemischkammer umgedreht, so daß das Gemisch durch den Katalysatorkörper von der anderen Endseite zur einen Endseite strömt und ein Teil des durch den Katalysatorkörper hindurch getretenen Abgases wird an der anderen Endseite des Katalysatorkörpers in die Luft zirkuliert.

Durch das Zirkulieren eines Teils des Abgases in die zu verbrennende Luft kann die Luft mit der Wärme des Abgases vorgeheizt werden, so daß der Katalysator durch diesen Vorheizvorgang angeregt werden kann, um die katalytische Verbrennung durchgehend zu stabilisieren. Darüber hinaus kann der gesamte Mechanismus zum teilweisen Zirkulieren des Abgases in die Luft in dem Verbrennungszylinder angeordnet sein, so daß die Abmessungen der katalytischen Verbrennungsvorrichtung verkleinert werden können.

Darüber hinaus führt der Kraftstoff und die Luft in der Vorgemischkammer eine Wendung in U-Form aus, nachdem sie durch das Durchgangsloch in dem mittleren Abschnitt des ringförmigen Katalysators durchgetreten ist, so daß das Gemisch durch den Katalysatorkörper von der anderen Endseite zu der einen Endseite strömt. Im Vergleich mit der katalytischen Verbrennungsvorrichtung, die mit einer Vielzahl Durchtritte im Katalysator zur Bildung von Schichten für das Gas und mit Einspritzdüsen ausgestattet ist, kann die Anzahl der Bauteile stark verringert werden, um den Aufbau zu vereinfachen und die Herstellkosten der katalytischen Verbrennungsvorrichtung zu verringern.

Die Aufgabe sowie Merkmale der Erfindung werden leichter aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen verständlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.

1 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes erstes Ausführungsbeispiel zeigt;
2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Regelung beim erfindungsgemäßen ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
3 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Betriebs des erfindungsgemäßen ersten Ausführungsbeispiels;
4 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes zweites Ausführungsbeispiel zeigt;
5 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes drittes Ausführungsbeispiel zeigt;
6 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes viertes Ausführungsbeispiel zeigt;
7 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes fünftes Ausführungsbeispiel zeigt;
8A ist eine Querschnittsansicht, die einen wesentlichen Abschnitt einer Kraftstoffdüse beim fünften Ausführungsbeispiel zeigt, und 8B ist eine Draufsicht, die ein erstes Plattenelement der Kraftstoffdüse zeigt;
9 ist ein Diagramm, das die Betriebseigenschaften der in 8 gezeigten Kraftstoffdüse zeigt;
10A ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes sechstes Ausführungsbeispiel zeigt, und 10B ist eine Draufsicht auf eine Ablenkplatte beim erfindungsgemäßen sechsten Ausführungsbeispiel;
11 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes siebtes Ausführungsbeispiel zeigt;
12 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes achtes Ausführungsbeispiel zeigt;
13A ist eine Längsschnittansicht, die einen Startkatalysator beim achten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel zeigt, und 13B ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Abschnitt des Startkatalysators zeigt;
14 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Betriebs des erfindungsgemäßen achten Ausführungsbeispiel;
15 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes neuntes Ausführungsbeispiel zeigt;
16 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes zehntes Ausführungsbeispiel zeigt;
17 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes elftes Ausführungsbeispiel zeigt;
18 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes zwölftes Ausführungsbeispiel zeigt; und
19 ist eine Längsschnittansicht, die ein erfindungsgemäßes dreizehntes Ausführungsbeispiel zeigt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen nun beschrieben.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
In 1 ist eine Verbrennungsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels in einem Heizsystem für ein Elektrofahrzeug eingesetzt, und eine Auf- und Abwärtsrichtung der 1 fällt mit der Vertikalrichtung zusammen, wenn die Verbrennungsvorrichtung auf einem Fahrzeug montiert ist. Die Verbrennungsvorrichtung 1 ist in einer zylindrischen Form mit einer vertikalen Achse ausgebildet. Ein Hauptkatalysatorkörper 2 ist in der Verbrennungsvorrichtung 1 eingebaut und in einer Ringform (oder zylindrischen Form) mit einem durchbohrten mittleren Abschnitt ausgebildet. Ein Startkatalysatorkörper 3 ist benachbart zu einer unteren Stirnseite des Hauptkatalysatorkörpers 2 angeordnet und bildet hiermit einen schmalen Spalt A. Der Startkatalysator 3 ist ähnlich wie der Hauptkatalysatorkörper 2 in einer Ringform ausgebildet. Durchgangslöcher 2b und 3b sind in den mittleren Abschnitten dieser Ringe ausgebildet.
Eine Größe des Startkatalysatorkörpers 3, d.h. ein thermisches Volumen, ist kleiner als die des Hauptkatalysatorkörpers 2, so daß dessen Temperatur leichter ansteigt. Des weiteren ist zur Anregung des Startkatalysators 3 bei einer geringen Temperatur (beispielsweise 200°C) eine getragene Menge (d.h. das Gewichtsverhältnis des Katalysators zum Gesamtgewicht des Katalysatorkörpers) eines Edelmetallkatalysators (beispielsweise Pt oder Pd) größer als die des Hauptkatalysatorkörpers 2. Andererseits ist der schmale Spalt A zwischen dem Hauptkatalysatorkörper 2 und dem Startkatalysatorkörper 3 beispielsweise auf ungefähr 5 mm gesetzt. Andererseits werden die Katalysatoren des Hauptkatalysatorkörpers 2 und des Sturtkatalysatorkörpers 3 jeweils durch Träger 2a und 3a in Wabenform getragen, die aus Keramik oder dergleichen hergestellt sind. Darüber hinaus sind die äußeren Umfänge des Hauptkatalysatorkörpers 2 und des Startkatalysatorkörpers 3 durch ein (nicht gezeigtes) elastisches Element aus beispielsweise Keramik oder Metallfasern gelagert und an der Innenwandfläche eines Verbrennungszylinders 4 befestigt. Dieser Verbrennungszylinder 4 bildet eine Körperform der Verbrennungsvorrichtung 1 und ist aus einem hitzebeständigen Metall wie beispielsweise einem rostfreien Stahl in einer zylindrischen Form mit einem Boden ausgebildet. Eine Verbrennungskammer ist durch den Abschnitt des Verbrennungszylinders 4 definiert, der die Katalysatorkörper 2 und 3 unterbringt.
Ein Abgasmischzylinder 5 ist aus einem hitzebeständigen Metall wie beispielsweise rostfreiem Stahl hergestellt und dessen Gesamtform ist im allgemeinen zylindrisch. Der Abgasmischzylinder 5 ist durch ein (nicht gezeigtes) elastisches Element aus beispielsweise Keramik oder Metallfasern in den mittigen Durchgangslöchern 2b und 3b des Hauptkatalysatorkörpers 2 und des Startkatalysator-körpers 3 befestigt (preßgepaßt), so daß er einstückig mit den Innenumfängen der beiden Katalysatorkörpern 2 und 3 verbunden ist. Der Abgasmischzylinder 5 ist an seiner einen Endseite (an einer Eintrittsseite der verbrannten Luft und des verbrannten Kraftstoffes) mit einem Mischabschnitt 5a versehen, der sich aus einem runden Rohrabschnitt mit einer gleichmäßigen Querschnittsfläche und am anderen Ende mit einem Druckanstiegsabschnitt 5b zusammensetzt, der aus einem runden Rohr zusammengesetzt ist und einen leichten Aufweitungswinkel (beispielsweise ungefähr 5 bis 10 Grad) hat. Am Endabschnitt der Eintrittsseite des Mischabschnitts 5a ist auch ein zugespitzter Aufweitungsendabschnitt 5c vorgesehen.
Eine Hauptdüse 6 ist in dem Verbrennungszylinder 4 und benachbart zur einen Stirnseite des Hauptkatalysatorkörpers 2 angeordnet. Diese Hauptdüse 6 ist aus einem hitzebeständigen Metall hergestellt und an ihrer unteren Endseite mit einem trichterförmigen Drosselabschnitt 6a versehen. Die Luft zur Verbrennung und der Kraftstoff werden von dem unteren Endabschnitt der Hauptdüse 6 in den Abgasmischzylinder 5 eingeführt. Im vorliegenden Fall wird die Luft zur Verbrennung durch eine Luftpumpe 7 von einem Lufteinlaß 8 in einen Innenraum 60 der Hauptdüse 6 zugeführt.
Andererseits ist der Drosselabschnitt 6a der Hauptdüse 6 mit einer vorbestimmten Länge in den zugespitzten Aufweitungsendabschnitt 5c des Abgasmischzylinders 5 eingefügt. Zwischen dem kegelförmigen Aufweitungsendabschnitt 5c und dem Drosselabschnitt 6a ist eine ringförmige Nebendüse 6b ausgebildet. Diese Nebendüse 6b ist vorgesehen, um das von einer Abgaskammer 9 zirkulierende Abgas, die um einen Außenumfang der Hauptdüse 6 ausgebildet ist, in den Abgasmischzylinder 5 zirkulieren zu lassen.
Der Innenraum 60 der Hauptdüse 6 ist von der Abgaskammer 9 an Abschnitten getrennt, die sich von der Öffnung mit kleinem Durchmesser am oberen Ende des Drosselabschnitts 6a unterscheiden. Anders ausgedrückt dient die Hauptdüse 6 zur Unterteilung zwischen einem Innenraum (dem Raum an der Kraftstoff/Luftzuführseite) 60 und der Abgaskammer 9.
Eine Kraftstoffdüse 10 dient zum Einsprühen von flüssigem Kraftstoff (beispielsweise Kerosin), der durch eine Kraftstoffpumpe 12 von einem Kraftstoffbehälter 11 zugeführt wird, zu einem mittleren Abschnitt des inneren Raums 60 der Hauptdüse 6. Das heißt, daß der Lufteinlaß 8 von der Luftpumpe 7 und die Kraftstoffdüse 10 in dem inneren Raum 60 der Hauptdüse 6 münden. Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die Kraftstoffdüse 10 und die Kraftstoffpumpe 12 eine Kraftstoffzuführeinrichtung.
Eine Vorgemischkammer 13 dient zum Mischen des flüssigen Kraftstoffs und der verbrannten Luft. Diese Vorgemischkammer 13 ist in dem Verbrennungszylinder 4 und an der anderen Seite (an der unteren Endseite) des Hauptkatalysatorkörpers 2 und des Startkatalysatorkörpers 3 angeordnet. Eine Kraftstoffabsorptionseinrichtung 14 in Drahtgitterform ist aus einem hitzebeständigen Metall hergestellt und über einem breiten Bereich der Bodenwandinnenseite bis zu den Seitenflächen der Vorgemischkammer 13 angeordnet. Die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 kann nicht nur als das Element in Drahtgitterform (oder in Dochtform) verkörpert sein, sondern auch als geschäumtes metallisches Element oder als ein poröses keramisches Element in einer dünnen Plattenform.
In der Vorgemischkammer 13 steht der Bodenwandabschnitt, der der unteren Seite des Startkatalysatorkörpers 3 gegenüberliegt in der Form eines Hügels in ihrem mittleren Abschnitt vor, so daß das Gemisch des Kraftstoffs und der Luft glatt strömen kann und radial auswärts von dem mittleren Abschnitt gelenkt wird. Der vorstehende Abschnitt ist durch Bezugszeichen 13a gezeigt.
Eine elektrische Heizeinrichtung 15 ist in der Vorgemischkammer 13 angeordnet und durch spiralförmiges Winden einer ummantelten Heizeinrichtung aufgebaut, um den Startkatalysatorkörper 3 und die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 beim Start zu heizen. Verbindungsanschlüsse 15a und 15b dienen zur Verbindung der elektrischen Heizeinrichtung 15 mit einem externen Schaltkreis.
Ein Abgasauslaß 16 dient zum Ausstoßen des Abgases von der Abgaskammer 9 zur Außenseite. Ein Temperaturfühler (Thermistor) 17 ist in der Abgaskammer 9 und in der Nähe des Abgasauslasses 16 angeordnet. Ein Isolator 18 ist um den gesamten Verbrennungszylinder 4 herum angeordnet und eine Abdeckung 19 ist darauf angeordnet. Eine obere Endplatte 20 dient zum Abdichten von oberen Endöffnungen des Verbrennungszylinders 4 und der Abdeckung 19 und die Kraftstoffdüse 10 und der Lufteinlaß 8 sind an der oberen Endplatte 20 angebaut.
Das aus dem Abgasauslaß 16 ausgestoßene Abgas wird zu einem (nicht gezeigten) Wärmetauscher geleitet, indem ein Wärmeaustausch zwischen dem Abgas und dem Wasser (als Heizmedium) ausgeführt wird, um das Wasser aufzuheizen. Das aufgeheizte Heißwasser wird in den Heizkern einer Klimaanlage gepumpt, so daß die Luft durch den Heizkern aufgeheizt wird, um eine Fahrgastzelle des Fahrzeuges zu heizen.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Regelung des ersten Ausführungsbeispieles zeigt. Eine Regeleinheit 21 dient zur Regelung der zuvor erwähnten elektrischen Vorrichtungen 7, 12 und 15 in der Verbrennungsvorrichtung und Bezugszeichen 22 bezeichnet einen Betätigungsschalter der Verbrennungsvorrichtung 1.
Ein Betrieb des zuvor beschriebenen Aufbaus wird nun beschrieben. Wenn der Betätigungsschalter 22 AN-geschaltet wird, wird zunächst die elektrische Heizeinrichtung 15 unter Strom gesetzt, so daß der Startkatalysartorkörper 3 und die Kraftstoff absorptionsvorrichtung 14 durch die Hitze der elektrischen Heizeinrichtung 15 vorgeheizt werden. Wenn eine vorbestimmte Zeitspanne t1 (wie in 3 gezeigt ist) verstrichen ist, nachdem der Betätigungsschalter 22 AN-geschaltet worden ist, werden die Luftpumpe 7 und die Kraftstoffpumpe 12 unter Verwendung des Zeitgebers in der Regeleinheit 21 unter Strom gesetzt, so daß die Zufuhr der Luft zur Verbrennung und des Kraftstoffes gestartet wird.
Zunächst werden die Mengen der Luft zur Verbrennung und des zuzuführenden Kraftstoffes herabgedrückt (auf beispielsweise ungefähr ein Zehntel der Menge bei der stärksten Verbrennung), indem die Drehzahlen der beiden Pumpen 7 und 12 mit Hilfe der Regeleinheit 21 abgesenkt werden. Wenn von Anfang an eine große Luftmenge zur Verbrennung strömen würde, würden der Startkatalysatorkörper 3 und die Kraftstoffabsorptionsvorrich-tung 14 gekühlt werden und die katalytische Reaktion würde nicht auftreten.
Der flüssige Kraftstoff wird aus der Kraftstoffdüse 10 in den mittleren Abschnitt des Innenraums 60 der Hauptdüse 6 eingesprüht, während die Luft zur Verbrennung durch den Lufteinlaß 8 in den Innenraum 60 der Hauptdüse 6 zugeführt wird. Der von der Düse 10 eingesprühte flüssige Kraftstoff wird nach unten in den Abgasmischzylinder 5 eingespritzt und auf der Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 in der Vorgemischkammer 13 zerstäubt, so daß der Kraftstoff mit der Luft zur Verbrennung vermischt wird. Die Richtung des Gemisches wird umgedreht (d.h. sie macht eine Wende in U-Form) in der Vorgemischkammer 13, um nach oben in den Startkatalysatorkörper 3 zu strömen, und reagiert zur Verbrennung im Startkatalysatorkörper 3.
Der Hauptkatalysatorkörper 2 wird allmählich durch die Strahlung und das Reaktionsgas mit hoher Temperatur vom Startkatalysatorkörper 3 aufgeheizt. Wenn eine vorbestimmte Zeitspanne t2 verstrichen ist, wie in 3 angedeutet ist, seitdem die Zu fuhr des Kraftstoffs und der Luft gestartet worden ist, oder wenn die erfaßte Temperatur des Temperaturfühlers 17, der in der Abgaskammer 9 angeordnet ist, einen vorbestimmten Wert T1 erreicht (beispielsweise ungefähr 300°C für den Fall der Verwendung von Kerosinkraftstoff), wird darüber hinaus die Drehzahl der beiden Pumpen 7 und 12 allmählich durch die Regeleinheit 21 erhöht, so daß die Verbrennungsmenge ansteigt. Das in dem Startkatalysatorkörper 3 und dem Haupt-katalysatorkörper 2 ansteigende Gas strömt in die Abgaskammer 9 und wird durch den Abgasauslaß 16 zur Außenseite ausgestoßen.
Wenn die erfaßte Temperatur des Temperaturfühlers 17 ein zweites vorbestimmtes Niveau T2 erreicht (beispielsweise ungefähr 500°C im Fall der Verwendung von Kerosinkraftstoff), wird bestimmt, daß der Hauptkatalysatorkörper 2 angeregt worden ist, so daß die Zufuhr von elektrischem Strom zu der elektrischen Heizeinrichtung 15 durch die Regeleinheit 21 abgestellt wird. Von diesem Zeitpunkt an verschiebt sich die Verbrennung in eine stabile Betriebsart. Anstelle der Bestimmung, daß die erfaßte Temperatur des Temperaturfühlers 17 größer als die vorbestimmte Temperatur T2 ist, kann eine vorbestimmte Zeitspanne t3, wie in 3 angedeutet ist, durch einen Zeitgeber gesetzt werden, so daß die Zufuhr von elektrischem Strom zu der elektrischen Heizeinrichtung 15 ansprechend auf das Verstreichen der vorbestimmten Zeitspanne t3 abgestellt werden kann.
Bei der zuvor beschriebenen stabilen Verbrennung wird die Luft zur Verbrennung beschleunigt und von dem Drosselabschnitt 6a der Hauptdrossel 6 in den Mischabschnitt 5a mit einer gleichmäßigen Querschnittsfläche des Abgasmischzylinders 5 eingespritzt. Durch die Einspritzwirkung des beschleunigten Verbrennungsluftstroms wird die Umgebung der Nebendüse 6b entspannt, so daß ein Teil des Abgases in der Abgaskammer 9 in den Abgasmischzylinder 5 durch die Nebendüse 6b zirkuliert. In diesem Fall ist der Abgasmischzylinder 5 an einer stromabwärtigen Seite des Mischabschnitts 5a mit einem Druckan-stiegsabschnitt 5b ausgestattet, der aus einem runden Rohr mit einem leichten Aufweitungswinkel hergestellt ist, so daß das Gemisch der Luft zur Verbrennung und des Kraftstoffes wieder Druck aufnimmt, während es durch den Druckanstiegsabschnitt 5b tritt, indem eine Geschwindigkeitskomponente in Druck umgewandelt wird.
Bei der Verbrennungsvorrichtung dieses Ausführungsbeispiels, das zuvor beschrieben ist, kann durch Rezirkulieren eines Teils des Abgases der Abgaskammer in die Luft zur Verbrennung eine derartige Luft zur Verbrennung durch das Abgas mit hoher Temperatur vorgeheizt werden, um eine Anregung der Katalysatoren 2 und 3 aufrechtzuerhalten, so daß die katalytische Verbrennung zufriedenstellend fortgesetzt werden kann. Darüber hinaus ist die Hauptdüse 6, der die Luft zur Verbrennung zuzuführen ist, in dem mittleren Abschnitt der Abgaskammer 9 angeordnet, so daß die Luft zur Verbrennung und der Abgasstrom als Gegenströme innerhalb und außerhalb der Hauptdüse 6 vorliegen. Daher kann mithilfe der Wärmeleitung durch die Hauptdüse (als Teilungselement) 6, die aus Metall hergestellt ist, die Luft zur Verbrennung durch das Abgas vorgeheizt werden, so daß die Vorheizwirkung weiter verbessert ist.
Zum Abschalten der Verbrennung wird der Betätigungsschalter 22 AUS-geschaltet. Ansprechend auf das AUS-Schalten stoppt die Regeleinheit 21 sofort die Kraftstoffpumpe 12; sie ermöglicht aber, daß die Luftpumpe 7 noch eine vorbestimmte Zeitspanne t4 weiter arbeitet, so daß der in dem Verbrennungszylinder 4 verbleibende Kraftstoff ausgebrannt wird und der Verbrennungszylinder 4 abkühlt (Nachentleerungsvorgang). Nach dem Verstreichen der vorbestimmten Zeitspanne t4 werden alle Bauteile gestoppt, indem die Luftpumpe 7 gestoppt wird.
Da gemäß dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Kraftstoff zugeführt wird oder gestoppt wird, während die Katalysatorkörper 2 und 3 angeregt sind, werden zum Zeitpunkt der Zündung oder des Auslöschens kaum Schadstoffe ausgestoßen, so daß eine saubere Verbrennung erreicht werden kann. Zum Startzeitpunkt werden der Kraftstoff und der Katalysator wirkungsvoll durch die einzige elektrische Heizeinrichtung 15 vorgeheizt, die in der Vorgemischkammer 13 angeordnet ist. Während der stabilen Verbrennung wird das Rezirkulieren des Abgases zum Vorheizen der Luft zur Verbrennung genutzt, so daß eine hoch wirkungsvolle Verbrennung erreicht werden kann, ohne daß eine elektrische Heizeinrichtung verwendet werden muß, und womit elektrischer Strom eingespart wird.
Ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Beim ersten Ausführungsbeispiel ist an einer Endseite der Katalysatorkörper 2 und 3 die Hauptdüse 6 zum Einspritzen der Luft zur Verbrennung an dem mittleren Abschnitt des Verbrennungszylinders 4 angeordnet, und die zweite Hauptdüse 6b zum Zirkulieren des Abgases durch die Einspritzwirkung ist um die Hauptdüse 6 herum ausgebildet. Im Gegensatz dazu ist beim zweiten Ausführungsbeispiel die Hauptdüse 6 und die Nebendüse 6b in umgekehrten Positionen angeordnet, d.h. die Nebendüse 6b ist in dem mittleren Bereich angeordnet, während die Hauptdüse 6 in einer Ringform um die Nebendüse 6b herum angeordnet ist.
Genauer gesagt ist beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Luftkammer 23 für die Luft zur Verbrennung ausgebildet, die von der Abgaskammer 9 geteilt ist, und die Luftkammer 23 ist mit dem Lufteinlaß 8 verbunden, so daß die Luft zur Verbrennung darin eingeführt wird. Die eingeführte Luft wird in den Abgasmischzylinder 5 von der ringförmigen Hauptdüse 6 eingespritzt.
Andererseits ist die Nebendüse 6b an einem mittleren Abschnitt der Hauptdüse 6 ausgebildet und deren Innenseite wird nur der flüssige Kraftstoff zugeführt, so wie er von der Kraftstoffdüse 10 eingesprüht wird, aber ohne Luft zur Verbrennung. Der innere Raum der Nebendüse 6b ist vollständig an seinem oberen Abschnitt zur Abgaskammer 9 geöffnet.
Durch die Einspritzwirkung, mit der die Luft zur Verbrennung von der Hauptdüse 6 eingespritzt wird, wird der obere Endabschnitt der Nebendüse 6b entspannt, so daß das Abgas in der Abgaskammer 9 teilweise in den Abgasmischzylinder 5 durch die Nebendüse 6b zirkuliert wird.
Gemäß dem Rufbau des zweiten Ausführungsbeispiels kann die von dem Lufteinlaß 8 zugeführte Luft zur Verbrennung in einem weiten Wärmetauschbereich (Wärmeleitbereich) vorgeheizt werden, bevor sie in den Abgasmischzylinder 5 eintritt, indem das Abgas um den inneren und äußeren Umfang der Luftkammer 23 für Luft zur Verbrennung strömt. Folglich kann die Luft zur Verbrennung wirkungsvoll vorgeheizt werden. Die anderen Wirkungen, die ähnlich denen des ersten Ausführungsbeispiels sind, können ebenso erzielt werden.
Ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 5 beschrieben.
Die Aufgabe des dritten Ausführungsbeispiels liegt in der Verbesserung des Startvermögens der Verbrennung bei einer niederen Temperatur gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel. Daher ist beim dritten Ausführungsbeispiel eine elektrische Hilfsheizeinrichtung 24, die aus einer PTC-Heizeinrichtung (Kaltleiterheizeinrichtung) hergestellt ist, spiralförmig in dem Innenraum 60 der Hauptdüse 6 angeordnet, wie in 5 gezeigt ist. Folglich wird bei einem Kaltstart in extrem kalten Gegenden auch die elektrische Hilfsheizeinrichtung 24 gleichzeitig zur elektrischen Heizeinrichtung 15 unter Strom gesetzt, so daß die Wirkung beim Vorheizen der Luft zur Verbrennung verbessert werden kann, um die Verbrennung zu stabilisieren.
Ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 6 beschrieben.
In jedem der vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiele eins bis drei sind die Katalysatoren der Katalysatorkörper 2 und 3 in Trägern 2a und 3a in Wabenform getragen. Im Gegensatz dazu sind beim vierten Ausführungsbeispiel zahlreiche Granulatpartikelkatalysatorkörper 2 und 3 in einem hohlen doppelschichtigen zylindrischen Körper 25 derart angeordnet, daß diese Katalysatorkörper 2 und 3 in dem doppelschichtigen zylindrischen Körper 25 durch ein Stützelement 26 gehalten sind, das aus einem Drahtgitter hergestellt ist. Die vorliegende Erfindung kann mit diesem Aufbau verkörpert werden.
Ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 beschrieben.
Bei jedem der vorangehenden Ausführungsbeispiele eins bis vier wird der flüssige Kraftstoff von der Kraftstoffdüse 10 zu der Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 in die Vorgemischkammer 13 eingesprüht, so daß der Kraftstoff vollständig in der Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 zerstäubt wird. Wenn sich die Verbrennung in den stabilen Zustand verschiebt, um die Verbrennungsmenge (die Kraftstoffströmungsmenge) zu erhöhen, kann das Zerstäubungsvermögen zur Zerstäubung des gesamten Kraftstoffes durch die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 unzureichend sein und die Kraftstoffzerstäubung kann sich verschlechtern.
Angesichts dieses Problems liegt die Aufgabe des fünften Ausführungsbeispiels in der Verbesserung des Zerstäubungsvermögens des flüssigen Kraftstoffes selbst bei der maximalen Verbrennungsmenge, indem die Hitze des Abschnittes mit hoher Temperatur in der Verbrennungsvorrichtung wirkungsvoll eingesetzt wird. Insbesondere ist beim fünften Ausführungsbeispiel, wie in 8 gezeigt ist, eine Kraftstoffdüse in Verwirbelungsbauart als die Kraftstoffdüse 10 eingesetzt. Die Kraftstoffdüse 10 in Verwirbelungsbauart hat ein rohrförmiges Gehäuse 10a, das aus einem hitzebeständigem Metall wie beispielsweise rostfreiem Stahl hergestellt ist. Ein Sprühloch 10b mit einer sich aufweitenden Form öffnet sich an einem oberen Endabschnitt.
Im oberen Endabschnitt des Gehäuses 10a sind ein erstes und zweites plattenförmiges Element 10c und 10d schichtweise von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite des Kraftstofflusses und an der inneren Wandfläche des Gehäuses 10a befestigt angeordnet. Eine kreisförmige Verwirbelungskammer 10e ist zwischen den beiden plattenförmigen Elementen 10c und 10d ausgebildet.
Das erste plattenförmige Element 10c, das an der stromaufwärtigen Seite angeordnet ist, ist in einer ebenen Form mit zwei parallelen abgeflachten Seitenflächenabschnitten 10f ausgebildet, wie in 8B gezeigt ist, um einen Raum, in den der Kraftstoff strömt, zwischen den abgeflachten Seitenflächenabschnitten 10f und der Innenwandfläche des Gehäuses 10a auszubilden. In dem ersten plattenförmigen Element 10c sind des weiteren zwei Kraftstoffeinführungsbohrungen 10g an symmetrischen Positionen um 180 Grad versetzt ausgebildet, so daß eine Verbindung zwischen den abgeflachten Seitenflächenabschnitten 10f und der kreisförmigen Verwirbelungskammer 10e hergestellt ist.
Diese Kraftstoffeinführbohrungen 10g münden tangential in der kreisförmigen Verwirbelungskammer 10e, so daß der Kraftstoff von den abgeflachten Seitenflächenabschnitten 10f tangential in die kreisförmige Verwirbelungskammer 10e eingeführt werden kann, um einen Verwirbelungsstrom zu bilden.
Andererseits hat das zweite plattenförmige Element 10d eine keglige Fläche 10h, die die Querschnittsfläche der kreisförmigen Verwirbelungskammer 10e allmählich verringert. Eine Drosselbohrung 10i ist in dem oberen Endabschnitt der kegligen Fläche 10h ausgebildet. Die beiden plattenförmigen Elemente 10c und 10d, die zuvor beschrieben sind, sind vorzugs-weise aus Messing hergestellt, das einfach zu bearbeiten ist.
In der Kraftstoffdüse 10 in Verwirbelungsbauart mit dem vorstehend genannten Aufbau hängt die Verwirbelungskraft des Kraftstoffes in der kreisförmigen Verwirbelungskammer 10e von der Kraftstoffströmungsmenge ab, so daß die Kraftstoffdüse 10 die Eigenschaften hat, gemäß denen der Kraftstoffsprühwinkel mit der Kraftstoffströmungsmenge ansteigt.
Über die gesamte Länge des Druckanstiegsabschnitts 5b von der Mitte des Mischabschnitts 5a des Abgasmischzylinders 5 an ist eine Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 in dem Innenumfang des Abgasmischzylinders 5 angeordnet und damit verbunden. Die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 kann aus einem Element in Drahtgitterform aus einem hitzebeständigen Metall ähnlich wie die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 in der Vorgemischkammer 13 hergestellt sein.
Wenn gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel die Verbrennungsmenge (die Kraftstoffströmungsmenge) gering ist, wie zum Verbren- nungsstartzeitpunkt, ist die Verwirbelungskraft des Kraftstoffes in der Kraftstoffdüse 10 in Verwirbelungsbauart gering, so daß der Kraftstoffsprühwinkel einen Wert annimmt, der so gering wie ungefähr 10 Grad ist. Folglich tritt der aus der Kraftstoffdüse 10 ausgesprühte Kraftstoff durch die Innenseite des Abgasmischzylinders 5, ohne daß er durch die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 des Abgasmischzylinders 5 absorbiert wird, wie durch die Zwei-Punkt-Strichlinien in 7 angedeutet ist, und erreicht die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 in der Vorgemischkammer 13, so daß der Kraftstoff in der Kraftstoffaborptionsvorrichtung 14 durch die Hitze der elektrischen Heizeinrichtung 15 zerstäubt wird.
Da die Kraftstoffströmungsmenge zu diesem Zeitpunkt gering ist, kann der Kraftstoff zufriedenstellend nur durch die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 zerstäubt werden.
Wenn sich die Verbrennung zum stabilen Betrieb verschiebt, um die Verbrennungsmenge (die Kraftstoffströmungsmenge) zu steigern, steigt die Verwirbelungskraft des Kraftstoffes in der Kraftstoffdüse 10 in Verwirbelungsbauart an, so daß der Kraftstoffsprühwinkel ansteigt, um einen Wert anzunehmen, der so groß wie ungefähr 40 Grad bei der maximalen Verbrennung ist.
Da der Kraftstoffsprühwinkel der Kraftstoffdüse 10 ansteigt, kommt ein Teil des von der Kraftstoffdüse 10 eingesprühten Kraftstoffes in Kontakt mit (wie durch die strichlierten Linien C in 7 angedeutet ist) der Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 in dem Abgasmischzylinder 5 und wird dort absorbiert. Die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 wird durch die Wärme aufgeheizt, die von den Katalysatorkörpern 2 und 3 mit hoher Temperatur durch die metallische Wandfläche des Abgasmischzylinders 5 übertragen wird, so daß der Kraftstoff zufriedenstellend in der Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 zerstäubt wird.
Im Vergleich mit den Ausführungsbeispielen eins bis vier, bei denen der Kraftstoff nur durch die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 in der Vorgemischkammer 13 absorbiert wird, kann gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der eingesprühte Kraftstoff sowohl in die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 als auch die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 zerstreut werden. Gleichzeitig kann die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 auf eine hohe Temperatur durch die von den Katalysatorkörpern 2 und 3 übertragene Hitze aufgeheizt werden, so daß der Kraftstoff zufriedenstellend selbst bei maximaler Verbrennung zerstäubt werden kann. Folglich kann der Verbrennungszustand zufriedenstellend vom Startzeitpunkt bis zum Zeitpunkt bei maximaler Verbrennung aufrechterhalten werden.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 10A beschrieben.
Das sechste Ausführungsbeispiel ist eine Abwandlung des zuvor erwähnten fünften Ausführungsbeispiels. Insbesondere setzt das fünfte Ausführungsbeispiel die Kraftstoffdüse 10 in Verwirbelungsbauart mit den Eigenschaften ein, gemäß denen der Kraftstoffsprühwinkel mit der Kraftstoffströmungsmenge ansteigt. Beim sechsten Ausführungsbeispiel ist im Gegensatz dazu die Kraftstoffdüse 10 in Verwirbelungsbauart durch eine Kraftstoffdüse 10 ersetzt, die ähnlich wie diejenigen der vorgenannten Auführungsbeispiele eins bis vier ist. Insbesondere ist die Kraftstoffdüse 10 in der Bauart, dergemäß die Düse zum Einsprühen des Kraftstoffes geöffnet wird, wenn der Druck des von der Kraftstoffpumpe 9 zugeführten Kraftstoffes einen vorbestimmten Wert übersteigt. Bei der Kraftstoffdüse 10 dieser Bauart ist der Kraftstoffsprühwinkel unbeachtlich eines Anstiegs oder Abfalls der Kraftstoffströmungsmenge im wesentlichen konstant.
Beim sechsten Ausführungsbeispiel ist daher die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 in dem Abgasmischzylinder 5, angeordnet und zusätzlich ist eine Ablenkplatte 28 zum Ablenken der Kraftstoffströmung vorgesehen.
Diese Ablenkplatte 28 ist aus einem hitzebeständigen Metall wie beispielsweise rostfreiem Stahl hergestellt und hat einen kreisförmigen Ringabschnitt 28a mit einem Außendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Abgasmischzylinders 5 ist, wie in der Draufsicht der 10B gezeigt ist. Eine Vielzahl von radialen Armabschnitten 28b innerhalb des kreisförmigen Ringabschnitts 28a und ein kegliger Abschnitt 28c im mittleren Abschnitt der radialen Armabschnitte 28b sind vorgesehen. Der obere Abschnitt des kegligen Abschnitts 28c ist so angeordnet, daß er der stromaufwärtigen Seite der Kraftstoffströmung in dem Abgasmischzylinder 5 gegenüberliegt. Bei dem in 10A gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ablenk platte 28 in dem Abgasmischzylinder 5 und in der Nähe des stromaufwärtigen Endes des Druckanstiegsabschnitts 5b angeordnet und mit der Innenwandfläche des Abgasmischzylinders 5 verbunden.
Gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel kommt der aus der Kraftstoffdüse 10 in den Abgasmischzylinder 5 eingesprühte Kraftstoff mit der Ablenkplatte 28 in Kontakt. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Kraftstoffströmungsmenge so gering ist wie beim Startzeitpunkt, ist die Kraftstoffsprühgeschwindigkeit so gering, daß das Meiste des Kraftstoffes, das mit der Ablenkplatte 28 in Kontakt gekommen ist und daran anhaftet, durch seine eigene Schwerkraft abtropft. Folglich erreicht das Meiste des von der Kraftstoffdüse 10 eingesprühten Kraftstoffes die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 in der Vorgemischkammer 13, so daß der Kraftstoff darin zerstäubt wird.
Wenn die Kraftstoffströmungsmenge so groß wie bei der maximalen Verbrennung ist, ist die Kraftstoffsprühgeschwindigkeit so hoch, daß ein Teil des von der Kraftstoffdüse 10 eingesprühten Kraftstoffes mit der Ablenkplatte 28 zusammenstößt und daran abprallt. Der Kraftstoff wird nach seinem Zusammenstoß durch die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 in dem Abgasmischzylinder 5 absorbiert und darin zerstäubt. Wenn eine Kraftstoffströmungsmenge groß ist, kann, da der eingesprühte Kraftstoff sowohl auf die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 als auch die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 zerstreut wird und dort zerstäubt wird, der Kraftstoff zufriedenstellend zerstäubt werden, um einen zufriedenstellenden Verbrennungszustand selbst bei maximaler Verbrennung aufrechtzuerhalten.
Ein siebtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 11 beschrieben.
Wie in 11 gezeigt ist, ist beim siebten Ausführungsbeispiel der Abgasmischzylinder 5 des fünften Ausführungsbei spiels nicht eingesetzt, und ein zylindrischer Abstandshalter A' ist schichtweise (in einem winzigen Spalt A) zwischen den Hauptkatalysatorkörper 2 und den Startkatalysatorkörper 3 in einer Richtung angeordnet, daß jedes Paar der Durchgangslöcher 2b und 3b verbunden sind. Das Abgas mischt sich mit der Luft zur Verbrennung durch die Durchgangslöcher 2b und 3b der Katalysatorkörper 2 und 3.
In diesem Fall kann sich der Wirkungsgrad der Rezirkulation des Abgases in die Luft zur Verbrennung verschlechtern, aber der Aufbau kann vereinfacht werden, indem der Abgasmischzylinder 5 weggelassen wird. Gleichzeitig kann der Kraftstoff direkt auf die Innenwandflächen der Katalysatorkörper 2 und 3 aufgesprüht werden, die durch die Verbrennung auf eine hohe Temperatur aufgeheizt sind, um das Zerstäuben des Kraftstoffes zu verbessern. In diesem Fall ist die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 an den Innenwandflächen des Hauptkatalysatorkörpers 2 angebracht und der Kraftstoff kann zuverlässig an der Innenwandfläche des Hauptkatalysatorkörpers 2 gehalten werden, um das Zerstäuben des Kraftstoffes weiter zu verbessern.
Ähnlich wie beim fünften Ausführungsbeispiel kann der Abgasmischzylinder 5 selbst bei den Ausführungsbeispielen eins bis vier und beim sechsten Ausführungsbeispiel weggelassen werden.
Ein achtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
Bei den Ausführungsbeispielen eins bis sieben ist die elektrische Heizeinrichtung 15 in der Vorgemischkammer 13 angeordnet und der Startkatalysatorkörper 3 mit einer geringen Wärmekapazität ist so angeordnet, daß er der Vorgemischkammer 13 gegenüberliegt, so daß das Startvermögen der katalytischen Verbrennung bei einer geringen Temperatur durch ein Vorheizen des Startkatalysatorkörpers 3 mit Hilfe der Strahlung der elektrischen Heizeinrichtung 15 verbessert ist. Im Gegensatz dazu ist beim achten Ausführungsbeispiel ein elektrisch leitender Startkatalysatorkörper 30, wie in 12 gezeigt ist, anstelle der zuvor erwähnten elektrischen Heizeinrichtung 15 und des Startkatalysatorkörpers 3 eingesetzt.
Wie in 12 gezeigt ist, ist der elektrisch leitende Startkatalysatorkörper 30 zwischen den Hauptkatalysatorkörper 2 und die Vorgemischkammer 13 zwischengesetzt, um einen kleinen Spalt A gegenüber dem Hauptkatalysatorkörper 2 auszubilden. Der Startkatalysatorkörper 30 ist derart aufgebaut, wie in 13B gezeigt ist, daß ein Träger 30A ausgebildet wird, indem ebene Platten 30b und eine wellige Platte 30c schichtweise aufeinander angeordnet werden, die aus metallischen dünnen Platten aus rostfreiem Stahl (SUS 430 mit einer Dicke von 0,05 mm) hergestellt sind, wobei ein Katalysator auf dem Träger 30a getragen ist. Der Träger 30a ist in vielen Wicklungen gewickelt, wodurch der im allgemeinen in eine wabenförmige Scheibenform geformt ist.
Der auf dem Träger 30a zu tragende Katalysator kann beispielsweise Pt sein und dessen getragene Menge (d.h. ein Verhältnis des Katalysatorgewichts gegenüber dem Gesamtgewicht des Katalysatorkörpers) beträgt ungefähr 0,5 Gew.-%.
Wie in 13A gezeigt ist, ist ein Anschluß 30d einer positiven Elektrode an dem mittleren Abschnitt des Startkatalysatorkörpers 30 angeordnet und ein Anschluß 30e einer negativen Elektrode ist an dem Außenumfangsabschnitt angeordnet, so daß der Startkatalysatorkörper 30 unter Strom setzbar ist, indem eine Spannung zwischen diesen beiden Elektrodenanschlüssen 30d und 30e angelegt wird. Beim achten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die unteren Endabschnitte des Abgasmischzylinders 5 und der Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 so weit, daß sie an dem oberen Flächenabschnitt des Startkatalysatorkörpers 30 anliegen, so daß das Gemisch aus dem Kraftstoff und der Luft, das durch den Abgasmischzylinder 5 tritt, mit Sicherheit durch den Startkatalysatorkörper 30 tritt.
Beim achten Ausführungsbeispiel ist das Größenverhältnis zwischen dem Hauptkatalysatorkörper 2 und dem Startkatalysatorkörper 30 gleich 5 : 1 und der schmale Spalt A wird auf ungefähr 5 mm gesetzt. Der andere Aufbau ist ähnlich wie der der Ausführungsbeispiele eins bis sieben.
Ein Betrieb des achten Ausführungsbeispiels wird nun beschrieben. Wenn der in 2 gezeigte Betätigungsschalter 22 AN-geschaltet wird, wird der elektrische Strom von einer (nicht gezeigten) Stromquelle dem elektrisch leitenden Startkatalysatorkörper 30 durch die beiden Elektrodenanschlüsse 30d und 30e zugeführt. Die verbrauchte Menge an elektrischem Strom des Startkatalysatorkörpers 30 wird beispielsweise auf einen Wert von ungefähr 300 bis 400 W eingestellt. Durch das Unter-Strom-Setzen wirkt der Startkatalysatorkörper 30 als ein elektrisches Heizelement durch seinen elektrischen Widerstand, so daß der auf dem Träger 30a und 30c getragene Katalysator direkt und sofort aufgeheizt werden kann.
Gleichzeitig kann der Hauptkatalysatorkörper 2 und die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 durch die Strahlung von dem Startkatalysatorkörper 30 vorgeheizt werden.
Wenn eine vorbestimmte Zeitspanne t1 verstrichen ist, seitdem der Betätigungsschalter 22 AN-geschaltet ist, wie in 14 gezeigt ist, werden die Luftpumpe 7 und die Kraftstoffpumpe 12 gestartet, um die Luft zur Verbrennung und den Kraftstoff zuzuführen. Die Zuführmenge der Luft zur Verbrennung und des Kraftstoffs sind zunächst gering und werden dann schrittweise mit dem Verstreichen der Zeitperioden t2, t3 und t3' aufeinanderfolgend erhöht. Wenn die durch den Temperaturfühler 17 erfaßte Temperatur das vorbestimmte Niveau T2 erreicht, wird bestimmt, daß der Katalysator einen angeregten Zustand angenommen hat, und die elektrische Stromzufuhr zu dem Startkatalysatorkörper 30 wird unterbrochen.
Gemäß dem achten Ausführungsbeispiel dient der metallische Katalysatorträger 30a des Startkatalysatorkörpers 30 als das elektrische Heizelement durch seinen elektrischen Widerstand, so daß der auf dem Träger 30a getragene Katalysator direkt aufgeheizt werden kann. Im Vergleich mit den Ausführungsbeispielen eins bis sieben, bei denen der Startkatalysatorkörper 3 durch die Strahlung von der elektrischen Heizeinrichtung 15 vorgeheizt wird, kann die Vorheizwirkung des Katalysators verbessert werden und der elektrische Stromverbrauch kann durch die Verbesserung der Vorheizwirkung eingespart werden.
Zusammen mit der Verbesserung der Vorheizwirkung des Startkatalysatorkörpers 30 können auch die Vorheizwirkungen des Hauptkatalysatorkörpers 2 und der Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 verbessert werden. Selbst bei einer geringen Temperatur kann die Verbrennungsanstiegzeit durch die Kombination der frühen Anregung des Katalysators und die Unterstützung der Zerstäubung des Kraftstoffes in der Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 verkürzt werden.
Durch Weglassen der elektrischen Heizeinrichtung 15 kann die Gesamtabmessung der Verbrennungsvorrichtung verringert werden und der Aufbau vereinfacht werden, um die Kosten zu senken.
Der Katalysatorträger 30a des Startkatalysatorkörpers 30 kann anstelle des hitzebeständigen Metalls wie beispielsweise rostfreiem Stahl aus Keramikwerkstoffen hergestellt sein, die hauptsächlich aus elektrisch leitenden Silikonkohlenstoffen zusammengesetzt sind.
Darüber hinaus ist der Startkatalysatorkörper 30 zwar in Scheibenform ausgebildet, er kann jedoch auch in Ringform mit einem Mittenloch ausgebildet sein, das einen Innendurchmesser hat, der gleich dem des Hauptkatalysatorkörpers 2 ist. Im Falle der Ringform wird der Kraftstoff anders als im Fall der Scheibenform durch das mittlere Loch des Startkatalysatorkörpers 30 hindurchtreten und die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 14 erreichen, so daß die Kraftstoffheizwirkung durch den Startkatalysatorkörper 30 zum Verbrennungsstartzeitpunkt abgesenkt wird, um das Zerstäuben des Kraftstoffes zu verschlechtern. Stattdessen kann jedoch das Vorhandensein des Mittenlochs des Startkatalysatorkörpers 30 den Druckverlust des Gemisches aus dem Kraftstoff und der Luft verringern, so daß die Strömungsmenge des zu rezirkulierenden Abgases gesteigert werden kann. Wenn der Kraftstoff leicht zerstäubbar ist, wie beispielsweise Benzin, kann folglich die Wirkung zum Vorheizen der Luft zur Verbrennung durch das rezirkulierte Abgas vorteilhaft verbessert werden, um den Katalysator früh anzuregen.
Wie in 8 gezeigt ist, kann selbst beim achten Ausführungsbeispiel die Kraftstoffdüse 10 in Verwirbelungsbauart eingesetzt werden und der Abgasmischzylinder 5 kann weggelassen werden, so daß der Kraftstoff direkt auf die Innenumfangswand des Hauptkatalysatorkörpers 2 zu einem Zeitpunkt der stabilen Verbrennung aufgesprüht werden kann, der auf eine hohe Temperatur aufgeheizt worden ist.
Ein neuntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 15 beschrieben.
In 15 ist der Hauptkatalysatorkörper 2 des vorstehend erwähnten achten Ausführungsbeispiels in der Strömungsrichtung der Luft zur Verbrennung (in der vertikalen Richtung der Zeichnung) in eine Vielzahl von beispielsweise drei Blöcken 201, 202 und 203 aufgeteilt. Darüber hinaus ist die Anregungstemperatur des Katalysators im Verlauf zur strömungsaufwärtigeren Seite (d.h. für den Block, der näher an der Vorgemischkammer 13 liegt) bezüglich des Luftstroms zur Verbrennung niedriger gesetzt, d.h. je näher sie am Block 201 vom Block 203 liegt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Menge des getragenen Katalysators (d.h. das Verhältnis des Katalysatorgewichts gegenüber dem Gesamtgewicht des Katalysatorkörpers) so gesetzt, daß sie im Verlauf von dem Block 203 zum Block 201 größer wird.
Insbesondere ist die Menge des Katalysators für den Block 203 auf 0,5 Gew.-%, für den Block 202 auf 1,0 Gew.-% und für den Block 201 auf 1,5 Gew.-% gesetzt. Folglich kann der Block 201, der bezüglich der Strömung der Luft zur Verbrennung stromaufwärtiger angeordnet ist, bei einer geringeren Temperatur angeregt werden. Gemäß vorbereitenden Versuchen unter Verwendung von Propylengas war die Katalysatoranregungstemperatur 180°C bei 1,5 Gew.-% Pt, 200°C bei 1,0 Gew.-% Pt und 250°C bei 0,5 Gew.-% Pt.
Folglich kann beim strömungsaufwärtigen Block 201 des Hauptkatalysatorkörpers 2 der Katalysator unmittelbar nach dem Start der elektrischen Stromzufuhr zu dem Startkatalysatorkörper 30 aktiviert werden, so daß die Kraftstoffströmungsmenge entsprechend früh gesteigert werden kann, um den Anregungsbereich des Hauptkatalysatorkörpers 2 schnell auszuweiten.
Folglich kann gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel die Verbrennungsmenge früher auf den Maximalwert als in dem Fall verschoben werden, bei dem die Menge an getragenem Katalysator in dem Hauptkatalysatorkörper 2 konstant auf 0,5 Gew.-% über den gesamten Bereich gesetzt ist. Dadurch ist es möglich, die Heizwirkung der Fahrgastzelle schnell zu verbessern.
Im Vergleich mit dem Fall, bei dem die Menge des getragenen Katalysators in dem Hauptkatalysatorkörper 2 konstant auf 1,5 Gew.-% über den gesamten Bereich gesetzt ist, kann die Menge des teuren Katalysators verringert werden, um die Kosten zu senken, ohne daß eine wesentliche Veränderung der Zeitspanne hervorgerufen wird, die notwendig ist, um die Verbrennungsmenge auf den Maximalwert zu verschieben.
Es ist nicht nur zum Warmstartzeitpunkt sondern auch bei der stabilen Verbrennung vorteilhaft, daß der Hauptkatalysatorkörper 2 in die Vielzahl der Blöcke 201 bis 203 derart aufgeteilt ist, daß eine größere Katalysatormenge auf dem strömungsaufwärtigeren Block getragen ist. Anders ausgedrückt hängt die Verbrennungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung von den Verwendungsumständen derart ab, daß sie nicht immer bei der maximalen Verbrennungsmenge verwendet wird, sondern auch in wünschenswerter Weise über einen breiten Verbrennungsbereich verwendet werden kann. Bei der katalytischen Verbrennung wird die Verbrennungtemperatur im allgemeinen auf einen geringeren Wert bei einer kleineren Verbrennung fallen und die Reaktion ist auf der stromaufwärtigen Seite des Katalysators vollständig.
Durch Anregen des strömungsaufwärtigen Katalysatorblocks 201 bei einer geringen Temperatur kann die katalytische Verbrennung bis zu einem kleinen Verbrennungsbereich bewirkt werden.
Als Mittel zum Absenken der Anregungstemperatur des Katalysa torkörpers, die von dem Mittel verschieden sind, das von einem Anstieg der Menge des getragenen Katalysators Gebrauch macht, kann die Abmessung des Katalysatorkörpers an der bezüglich der Strömung der Luft zur Verbrennung strömungsaufwärtigeren Seite (beispielsweise an dem Abschnitt, der näher an der Vorgemischkammer 13 liegt, wie in 1 gezeigt ist) kleiner gemacht werden oder die Kombination der Verringerung der Menge des getragenen Katalysators und die Verringerung der Größe des Katalysators kann auch verfügbar gemacht werden.
Darüber hinaus kann das Material selbst des Katalysators verändert werden (beispielsweise durch Hinzufügen von Rh), um die Anregungstemperatur an der bezüglich der Strömung der Luft zur Verbrennung strömungsaufwärtigeren Seite auf einen niedrigeren Wert zu setzen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Hauptkatalysatorkörper 2 in drei Blöcke 201 bis 203 aufgeteilt; die Anzahl der aufgeteilten Blöcke sollte jedoch nicht auf drei beschränkt sein, sondern sie kann geeignet entsprechend der Verbrennungsanstiegszeitspanne, den Herstellungskosten oder dergleichen nach Bedarf verändert werden.
Wahlweise ist ohne eine Aufteilung des Katalysatorkörpers 2 in die Vielzahl der Blöcke 201 bis 203 mit einem einzelnen Hauptkatalysatorkörper 2 die größere Menge des getragenen Katalysators an der strömungaufwärtigeren Seite vorgesehen.
Ein zehntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die 16 beschrieben.
In 16 ist der Hauptkatalysatorkörper 2 des achten Ausführungsbeispiels halbiert und diese beiden halbierten Katalysatorkörper sind aus elektrisch leitenden Katalysatorkörpern 204 und 205 hergestellt, die so angeordnet sind, daß ein enger Spalt B (von ungefähr 5 mm) dazwischen ausgebildet ist. Die Katalysatorträger 204a und 205a dieser elektrisch leitenden Katalysatorkörper 204 und 205 sind mit Hilfe desselben Aufbaus wie des Startkatalysatorkörpers 30 des achten Ausführungsbeispiels elektrisch leitend gemacht.
Bei den elektrisch leitenden Katalysatorkörpern 204 und 205 dieses Ausführungsbeispiels sind jeweils die Anschlüsse 204d und 205d der positiven Elektrode an ihren inneren Umfangsabschnitten und die Anschlüsse 204c und 205c der negativen Elektrode an ihren äußeren Umfangsabschnitten angeordnet. Diese drei Bauteile, d.h. der Startkatalysatorkörper 30 und die beiden elektrisch leitenden Katalysatorkörper 204 und 205 sind miteinander elektrisch parallel geschaltet.
Wenn eine Temperatur der Außenluft extrem gering ist, wie beispielsweise –20°C, ist es, obwohl ein schnelles Aufheizen er forderlich ist, schwierig, den Katalysator früh anzuregen. Gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel können die drei Katalysatoren, d.h. der Startkatalysatorkörper 30 und beide elektrisch leitenden Katalysatorkörper 204 und 205 direkt durch die elektrische Heizwirkung der Träger 204a, 205a und 30a aufgeheizt werden, wenn alle drei Elemente bestehend aus dem Startkatalysatorkörper 30 und den elektrisch leitenden Katalysatorkörpern 204 und 205 gleichzeitig unter Strom gesetzt werden, so daß diese Katalysatorkörper früh angeregt werden können. Folglich kann die Zeitspanne zum Anheben der Verbrennung selbst bei der extrem geringen Temperatur verkürzt werden.
Wenn die Temperatur der Außenluft vergleichsweise hoch ist (10°C oder höher), kann der Katalysator wirkungsvoll gemäß den Zuständen der Temperatur der Außenluft oder dergleichen vorgeheizt werden, indem nur der Startkatalysatorkörper 30 unter Strom gesetzt wird, ohne daß die beiden elektrisch leitenden Katalysatorkörper 204 und 205 unter Strom gesetzt werden.
Selbst wenn die Temperatur der Außenluft vergleichsweise hoch ist, können jedoch die vorstehend erwähnten drei Katalysatoren unter Strom gesetzt werden, um die Verbrennung schnell anzuheben.
Beim zehnten Ausführungsbeispiel muß der Hauptkatalysatorkörper 2 nicht in die Vielzahl der Einzelelemente aufgeteilt sein, sondern es kann ein einzelner Körper vorhanden sein, so daß nur ein Abschnitt auf der stromaufwärtigen Seite der Luft zur Verbrennung aus einem elektrisch leitenden Katalysatorkörper hergestellt ist. Ähnlich wie beim neunten Ausführungsbeispiel kann die Anzahl der Aufteilungen und die Abmessung des Hauptkatalysatorkörpers 2 in verschiedenen Weisen abgewandelt werden. Des weiteren können zwei elektrisch leitende Katalysatorkörper 204 und 205 derart aufgebaut sein, daß eine größere Menge des Katalysators auf dem elektrisch leitenden Katalysator 204 an der strömungsaufwärtigen Seite getragen ist, während eine geringere Menge des Katalysators auf dem elektrisch leitenden Katalysator 205 an der strömungsabwärtigen Seite getragen ist.
Ein elftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 17 beschrieben.
In 17 ist der Wärmetauscher des ersten Ausführungsbeispiels der 1 zum Austausch der Wärme zwischen dem heißen Abgas (Verbrennungsgas) und dem Wärmeübertragungsmedium (beispielsweise Wasser) kompakt und in das Innere der katalytischen Verbrennungsvorrichtung integriert.
Wie in 17 gezeigt ist, ist ein Wärmetauscher 40 zum Austausch der Wärme zwischen dem Abgas mit hoher Temperatur und dem Wärmeübertragungsmedium zwischen dem Verbrennungszylinder 4 und der oberen Endplatte 20 sowie an äußeren Umfangsseiten der Durchtritte zur Zufuhr der Luft zur Verbrennung und des Kraftstoffes angeordnet. Dieser Wärmetauscher 40 ist derart aufgebaut, daß er einen zylindrischen äußeren Zylinder 41, einen inneren Zylinder 42 und eine Spule 43 umfaßt. Der zylindrische Raum zwischen dem äußeren Zylinder 41 und dem inneren Zylinder 42 ist in einen spiralförmigen Durchtritt 44 durch eine spiralförmige Aufteilungsplatte 45 unterteilt.
An einem Endabschnitt des spiralförmigen Durchtritts 44 ist ein Einlaßrohr 46 für das Wärmeübertragungsmedium angeordnet, das an dem äußeren Zylinder 41 befestigt ist. Am anderen Endabschnitt (der an einer um 180 Grad in Umfangsrichtung des äußeren Zylinders 41 symmetrisch versetzten Position angeordnet ist) ist ein Auslaßrohr 47 für das Wärmeübertragungsmedium angeordnet, das an dem äußeren Zylinder 41 befestigt ist.
Die Wicklung 43 wird durch spiralförmiges Biegen eines Hohlrohres gebildet und deren Einlaßabschnitt 43a wird mit dem spiralförmigen Durchtritt 44 unmittelbar hinter dem Abschnitt verbunden, an dem das Einlaßrohr 46 angeordnet ist, so daß das Wärme übertragungsmedium von dem Einlaßrohr 46 in den Durchtritt 44 und in den Einlaßabschnitt 43a der Wicklung 43 strömen kann.
Ein Auslaßabschnitt 43b der Wicklung 43 ist mit dem spiralförmigen Durchtritt 44 in der Nähe eines Abschnittes verbunden, der nahe an dem Auslaßrohr 47 liegt, so daß das Wärmeübertragungsmedium, das aus dem Auslaßabschnitt 43b ausströmt, mit dem Wärmeübertragungsmedium in dem Durchtritt 44 zusammentreffen kann und dann in das Auslaßrohr 47 strömen kann. In kurzen Worten ausgedrückt strömt das Wärmeübertragungsmedium in der Wicklung 43 und dem spiralförmigen Durchtritt 44 parallel zueinander. An der inneren Umfangsseite des inneren Zylinders 42 sind in radialer Richtung eine Vielzahl von Blechrippen 48 angeordnet, die zwischen sich einen engen Spalt (beispielsweise mit 4,5 mm) bilden, und diese Blechrippen 48 sind mit der inneren Umfangswand des inneren Zylinders 42 verbunden.
Jedes der Elemente 41 bis 43 und 45 bis 48 des Wärmetauschers 40 ist vorzugsweise aus Aluminium im Hinblick auf die thermische Leitfähigkeit hergestellt und jeder der Verbindungsabschnitte ist beispielsweise hartgelötet. Als das Wärmeübertragungsmedium wird in diesem Ausführungsbeispiel eine nicht gefrierende Lösung mit einem Gefrierpunkt eingesetzt, der so niedrig wie ungefähr –30°C ist. Es kann jedoch auch Wasser oder Luft gemäß den Bedingungen eingesetzt werden, unter denen die Verbrennungsvorrichtung verwendet wird.
Darüber hinaus wird das aus dem Auslaßrohr 47 ausgeströmte Wärmeübertragungsmedium durch eine (nicht gezeigte) Heißwasserpumpe zu einem Heizkern (Heizungswärmetauscher) gepumpt, der in dem Luftdurchtritt eines Heizungssystems des Fahrzeugs angeordnet ist. In dem Heizkern erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen der durch ein Gebläse zugeführten Luft und dem Wärmeübertragungsmedium, um die Luft aufzuheizen, so daß die aufgeheizte warme Luft in die Fahrgastzelle ausgeblasen werden kann. In dem Auslaßrohr 47 ist ein Wärmeübertragungsmediumtem peraturfühler 49 angeordnet, um die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums zu erfassen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel, das den vorstehend erwähnten Wärmetauscher 40 umfaßt, ist ein Saugzylinder 50 einstückig mit dem mittleren Abschnitt der oberen Endplatte 20 ausgebildet. Dieser Saugzylinder 50 ist so angeordnet, daß er sich in das Innere des mittleren Abschnitts der Wicklung 43 erstreckt. Der Saugzylinder 50 ist an seinem einem Endabschnitt (der obere Endabschnitt in 17) durch einen Deckel 51 geschlossen und der Lufteinlaß 8 ist in dem Deckel 51 vorgesehen, um die Luft zur Verbrennung in den Saugzylinder 50 einzuführen.
An der anderen Endseite (der untere Endabschnitt in 17) des Saugzylinders 50 ist eine Strömungsplatte 52 angeordnet, die eine Vielzahl von Bohrungen hat, um die Strömung der Luft zur Verbrennung zu vergleichmäßigen. Die Kraftstoffdüse 10 ist an einem mittleren Abschnitt angebracht. Die Hauptdüse 6 ist an dem anderen Endabschnitt des Saugzylinders 50 angebracht. Mit der Kraftstoffdüse 10 ist ein Kraftstoffrohr 53 verbunden, das in dem Deckel 51 ausgebildet ist, so daß der Kraftstoff von der Kraftstoffpumpe 12 durch das Kraftstoffrohr 53 zugeführt wird.
Ein Betrieb des elften Ausführungsbeispiels wird nun beschrieben. Ein Teil des Wärmeübertragungsmediums (der nicht gefrierenden Lösung), der in den spiralförmigen Durchtritt 44 des Wärmetauschers 40 durch das Einlaßrohr 46 eingetreten ist, strömt in die Wicklung 43 und das verbleibende Wärmeübertragungs-medium (die nicht gefrierende Lösung) strömt in den spiralförmigen Durchtritt 44. Zwischenzeitlich wird das Wärmeübertragungsmedium auf eine hohe Temperatur durch den Austausch der Wärme mit dem Abgas (Verbrennungsgas) durch die Rippen 48 und durch den Austausch der Wärme direkt mit dem Abgas (Verbrennungsgas) auf der Außenfläche der Wicklung 43 aufgeheizt. Darüber hinaus verbinden sich die Ströme der beiden Tei le des Wärmübertragungsmediums miteinander an einer strömungsaufwärtigen Seite des Auslaßrohrs 47 und strömen hierdurch aus.
Die Heizkapazität wird durch Anheben und Verringern der Verbrennungsmenge gemäß der durch den Wärmeübertragungstemperaturfühler 49 erfaßten Temperatur geregelt.
Gemäß dem zuvor beschriebenen Aufbau und den entsprechenden Vorgängen kann der Wärmetauscher 40 mit hohem Wirkungsgrad und kompakten Aufbau in die katalytische Verbrennungsvorrichtung integriert werden. Bei der Flammenverbrennung bleibt im allgemeinen der während der Verbrennung erzeugte Ruß anhaftend, um die Spalte zwischen benachbarten Rippen 48 aufzufüllen, so daß der Wärmetauschwirkungsgrad geringer wird. Im Gegensatz dazu wird bei der katalytischen Verbrennung gemäß der vorliegenden Erfindung nur wenig Ruß erzeugt, so daß die Spalte zwischen den benachbarten Rippen 48 bei dem zuvor erwähnten Wert, der so gering ist wie ungefähr 4,5 mm, aufrechterhalten bleiben können, um den Wärmetauschwirkungsgrad zu verbessern.
Der weitere Aufbau und die Wirkungen sind gleich wie die des ersten Ausführungsbeispiels.
Ein zwölftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 18 beschrieben.
In 18 ist gegenüber dem elften Ausführungsbeispiel der 17 die Wicklung 43 weggelassen. Auf diese Weise kann der Aufbau des Wärmetauschers 40 vereinfacht werden, obwohl der Wärmetauschwirkungsgrad zwischen dem Wärmeübertragungsmedium und dem Abgas abfällt.
Ein dreizehntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 19 beschrieben.
Beim elften und zwölften Ausführungsbeispiel der 17 und 18 ist der Wärmetauscher 40 zum Austausch der Wärme zwischen dem heißen Abgas und dem Wärmeübertragungsmedium zwischen dem Verbrennungszylinder 4 und der oberen Endplatte 20 angeordnet. Beim dreizehnten Ausführungsbeispiel ist im Gegensatz dazu der Wärmetauscher 40 an den äußeren Umfangsseiten der Katalysatorkörper 2 und 3 angeordnet.
Insbesondere ist beim dreizehnten Ausführungsbeispiel der Wärmetauscher 40 an den äußeren Umfangsseiten der Katalysatorkörper 2 und 3 angeordnet und radiale Rippen 48 sind an einer äußeren Umfangsseite des Verbrennungszylinders 4 angeordnet, um zwischen sich einen engen Spalt zu bilden. Gleichzeitig ist ein spiralförmiger Durchtritt 44 durch die spiralförmige Aufteilungsplatte 45 zwischen dem inneren Zylinder 42 und dem äußeren Zylinder 41 ausgebildet, der an äußeren Umfangsseiten dieser radialen Rippen 48 angeordnet ist. Folglich dient der äußere Zylinder 41 als der Deckel 19 der vorangehenden Ausführungsbeispiele eins bis zwölf.
Darüber hinaus ist eine Bodenplatte 42a des inneren Zylinders 42 außerhalb der Vorgemischkammer 13 (an der unteren Seite der 19) angeordnet, um dazwischen einen vorbestimmten Spalt auszubilden, und der Abgasauslaß 16 ist in dem mittleren Abschnitt der Bodenplatte 42a ausgebildet. Folglich dreht sich das aus dem Hauptkatalysatorkörper 2 ausgeströmte Abgas in U-Form in der Abgaskammer 9 um und tritt durch die äußere Umfangsseite des Verbrennungszylinders 4. Weiter strömt das Abgas in der abwärts zeigenden Richtung der 19 und strömt durch den Abgasauslaß 16 aus.
Gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel strömt das Abgas an der äußeren Umfangsseite des Verbrennungszylinders 4 und das Wärmeübertragungsmedium tritt durch den spiralförmigen Durchtritt, der an einer äußeren Umfangsseite des Verbrennungszylinders 4 angeordnet ist, wobei es mit dem Abgas in Wärmetausch tritt. Folglich kann ein Abstrahlen von Wärme von den äußeren Umfangsseiten der Katalysatorkörper 2 und 3 durch die Strömung des Abgases mit hoher Temperatur unterdrückt werden, so daß die Katalysatorkörper 2 und 3 einfacher in den Zustand mit hoher Temperatur als bei dem Aufbau der Ausführungsbeispiele eins bis zwölf gehalten werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die katalytische Verbrennung immer zufriedenstellend aufrechtzuerhalten.
Gleichzeitig ist es vorteilhaft, daß der Isolator 18 an der äußeren Umfangsseite des Verbrennungszylinders 4 anders als bei den Ausführungsbeispielen eins bis zwölf weggelassen werden kann.
Bei der Verbrennungsvorrichtung gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel ist die Abmessung in axialer Richtung kleiner und die Abmessung in radialer Richtung ist größer im Vergleich mit dem Rufbau der Ausführungsbeispiele elf und zwölf, bei denen der Wärmetauscher integriert ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Leistung zu verbessern, wenn die Verbrennungsvorrichtung an dem Fahrzeug montiert wird.
Beim dreizehnten Ausführungsbeispiel ist die spiralförmige Wicklung 43 des elften Ausführungsbeispiels weggelassen; die spiralförmige Wicklung 43 kann jedoch in den Rippen 48 wie beim elften Ausführungsbeispiel angeordnet werden.
Bei jedem der vorgenannten Ausführungsbeispiele ist der Katalysatorkörper in den Startkatalysatarkörper 3 und den Hauptkatalysatorkörper 2 unterteilt, um den Katalysator früh anzuregen; diese beiden Katalysatorkörper 2 und 3 können jedoch durch einen Katalysatorkörper gebildet sein.
Darüber hinaus kann in den Zeitdiagrammen der 3 und 14 der Anstieg des Verbrennungsbereichs nach dem Verstreichen der vorbestimmten Zeitspanne (t1 + t2) vom AN-Schalten des Betäti gungsschalters 22 entweder kontinuierlich oder schrittweise sein.
Darüber hinaus ist die Betriebszeitspanne zu Nachentleerung in 3 auf den vorbestimmten Wert t4 durch den Zeitgeber gesetzt. Anstelle der Bestimmung der Zeit kann jedoch der Nachentleerungsvorgang gestoppt werden, wenn die erfaßte Temperatur des Temperaturfühlers 17 unter einen vorbestimmten Wert nach dem Start des Nachentleerungsvorgangs abfällt.
Beim ersten Ausführungsbeispiel ist die Kraftstoffdüse 10 in der Bauart, bei der sich die Düse öffnet, um den Kraftstoff zu versprühen, wenn der Druck der Zufuhr des Kraftstoffs durch die Kraftstoffpumpe 12 einen vorbestimmten Wert übersteigt. Die Kraftstoffdüse 10 kann jedoch auch in Doppelfluidsprühbauweise zum gleichzeitigen Versprühen des Kraftstoffes und der Luft ausgebildet sein. Des weiteren kann die Kraftstoffdüse 10 eine Ultraschalldüse zum Atomisieren des flüssigen Kraftstoffes durch Ultraschallwellen oder eine Einspritzvorrichtung mit einer elektrischen Heizeinrichtung sein, die beim Kaltstart einer Brennkraftmaschine des Fahrzeuges verwendet wird.
Wenn hier eine elektromagnetische Einspritzvorrichtung, die bei Fahrzeugen und dergleichen allgemein bekannt ist, als die Kraftstoffdüse 10 eingesetzt wird, kann durch Regelung der Zeitspanne, in der die elektromagnetische Spule der Einspritzvorrichtung unter Strom gesetzt wird, die Kraftstoffzufuhrmenge geregelt werden. Folglich kann die Drehzahl der Kraftstoffpumpe 12 konstant aufrechterhalten werden, so daß der Kraftstoffzufuhrdruck auf einem konstanten Wert gehalten wird.
Beim fünften und sechsten Ausführungsbeispiel ist die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 in dem Abgasmischzylinder 5 angeordnet. Die Kraftstoffabsorptionsvorrichtung 27 kann jedoch weggelassen werden und ein Nutabschnitt in Spiralform oder dergleichen kann in der Innenwandfläche des Abgasmischzylinders 5 ausgebildet werden, um die Kraftstoffrückhaltewirkung zu verbessern, so daß das Zerstäuben des Kraftstoffes verbessert wird.
Bei der vorliegenden Erfindung kann nicht nur flüssiger Kraftstoff wie beispielsweise Kerosin, sondern auch gasförmiger Kraftstoff wie beispielsweise Erdgas eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß umfaßt eine katalytische Verbrennungsvorrichtung einen ringförmigen Katalysatorkörper 2, 3 zum katalytischen Verbrennen eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft, der in einem Verbrennungszylinder 4 angeordnet ist. In dem Verbrennungszylinder 4 sind eine Kraftstoffdüse 10 und ein Einlaß 8 für die Luft an einer Endseite des Katalysatorkörpers 2, 3 angeordnet und eine Vorgemischkammer 13 ist an der anderen Endseite ausgebildet. Der Kraftstoff und die Luft werden von der einen Endseite des Katalysatorkörpers 2, 3 durch ein Durchgangsloch 2b, 3b zugeführt, das in einem mittleren Abschnitt des Katalysatorkörpers 2, 3 ausgebildet ist, und sie werden in der Vorgemischkammer 13 vermischt. In der Vorgemischkammer 13 wird eine Strömungsrichtung des Gemisches zu dem Katalysatorkörper 2, 3 umgedreht. Ein Teil des Abgases wird an der einen Endseite in die Luft eingeführt. Auf diese Weise ist es möglich, die Verbrennungsvorrichtung zu vereinfachen und ihre Abmessungen kleiner zu gestalten, während die Vorheizwirkung der Luft durch ein Zirkulieren des Abgases sichergestellt ist.

Claims

Katalytische Verbrennungsvorrichtung mit folgenden Bauteilen: einem Katalysatorkörper (2, 3) zum katalytischen Verbrennen eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft, wobei der Katalysatorkörper (2, 3) in einer Ringform mit einem Durchgangsloch (2b, 3b) in seiner Mitte ausgebildet ist; einer Kraftstoffzuführeinrichtung (10, 12), die an einer Seite des Katalysatorkörpers (2, 3) zur Zufuhr von Kraftstoff angeordnet ist; einer Luftzuführvorrichtung (7, 8), die an einer Endseite des Katalysatorkörpers (2, 3) zur Zufuhr von Luft zur Verbrennung angeordnet ist; einem Verbrennungszylinder (4), der den Katalysatorkörper (2, 3) enthält und eine Vorgemischkammer (13) an der anderen Endseite des Katalysatorkörpers (2, 3) ausbildet, wobei die Vorgemischkammer (13) zum Mischen des Kraftstoffs, der von der Kraftstoffzuführvorrichtung (10, 12) zugeführt wird und durch das Durchgangsloch (2b, 3b) hindurchtritt, und der Luft dient, die von der Luftzuführeinrichtung (7, 8) zugeführt wird und durch das Durchgangsloch (2b, 3b) hindurchtritt, wobei die Vorgemischkammer (13) auch zum Ändern einer Richtung des Gemisches des Kraftstoffes und der Luft derart dient, daß das Gemisch durch den Katalysatorkörper (2, 3) von der anderen Endseite zu der einen Endseite strömt; und einer Einrichtung (6) zum Zirkulieren eines Teils des durch den Katalysatorkörper (2, 3) hindurchgetretenen Abgases in die von der Luftzuführeinrichtung (7, 8) zugeführte Luft.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Abgasmischzylinder (5), der in dem Durchgangsloch (2b, 3b) zum Mischen der Luft und eines Teils des durch den Katalysatorkörper (2, 3) hindurchgetretenen Abgases angeordnet ist.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Hauptdüse (6), die benachbart zu der einen Endseite des Katalysatorkörpers (2, 3) angeordnet ist und einen Drosselabschnitt (6a) zum Drosseln einer Strömung der Luft hat, wobei ein Teil des durch den Katalysatorkörper (2, 3) hindurchgetretenen Abgases in die Luft durch eine Entspannungswirkung des Drosselabschnittes (6a) zirkuliert wird.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselabschnitt (6a) an einem mittleren Abschnitt des Abgasmischzylinders (5) angeordnet ist, um einen Teil des durch den Katalysatorkörper (2, 3) hindurchgetretenen Abgases von einer äußeren Umfangsseite des Drosselabschnittes (6a) in die Luft zu zirkulieren.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Nebendrossel (6b), die in Ringform ausgebildet ist und an einer äußeren Umfangsseite des Drosselabschnitts zum Zirkulieren eines Teils des durch den Katalysatorkörper (2, 3) hindurchgetretenen Abgases in die Luft angeordnet ist.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff flüssig ist und die katalytische Verbrennungsvorrichtung des weiteren eine Kraftstoffabsorptionsvorrichtung (14) zur Absorption und Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffes aufweist, die in der Vorgemischkammer (13) angeordnet ist.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Katalysatorkörper axial in eine Vielzahl von Katalysatorkörpern (2, 3) aufgeteilt ist, und daß eine Menge des Katalysators, der durch den näher an der Vorgemischkammer (13) liegenden Katalysatorkörpers (3) getragen wird, größer als die ist, die durch den Katalysatorkörper (2) getragen wird, der von der Vorgemischkammer (13) weiter entfernt ist.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungszylinder (4) in sich an einer Seite des Katalysatorkörpers (2, 3) eine Abgaskammer zur Aufnahme des durch den Katalysatorkörper (2, 3) hindurchgetretenen Abgases ausbildet, und daß ein Wärmetausch zwischen dem Abgas in der Abgaskammer und der von der Luftzuführeinrichtung zugeführten Luft durchgeführt wird.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Isolator, der um die Vorgemischkammer (13) und den Katalysatorkörper (2, 3) herum angeordnet ist.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff flüssig ist, und die Kraftstoffzuführeinrichtung eine Kraftstoffdüse (10) mit Eigenschaften umfaßt, gemäß denen ein Kraftstoffsprühwinkel entsprechend einem Anstieg einer Strömungsmenge des flüssigen Kraftstoffs ansteigt, und wobei, wenn die Strömungsmenge des flüssigen Kraftstoffes groß ist, der Sprühwinkel des von der Kraftstoffdüse (10) einzusprühenden Kraftstoffes vergrößert ist, so daß der von der Kraftstoffdüse (10) eingesprühte Kraftstoff zu einer Innenwandfläche des Durchgangslochs (2b, 3b) des Katalysatorkörpers (2, 3) strömt.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff flüssig ist und die katalytische Verbrennungsvorrichtung des weiteren eine Ablenkplatte (28) aufweist, die an einer Innenwandfläche des Durchgangslochs des Katalysatorkörpers (2, 3) zum Ablenken einer Strömung des von der Kraftstoffzuführeinrichtung (10, 12) zugeführten flüssigen Kraftstoffes montiert ist, und wobei, wenn die Strömungsmenge des flüssigen Kraftstoffes groß ist, der von der Kraftstoffzuführeinrichtung (10, 12) zugeführte Kraftstoff durch die Ablenkplatte (28) zu einer Innenwandfläche des Durchgangslochs (2b, 3b) des Katalysatorkörpers (2, 3) abgelenkt wird.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Kraftstoffabsorptionsvorrichtung (27), die an einer Innenwandfläche des Durchgangslochs (2b, 3b) des Katalysatorkörpers (2, 3) zur Absorption und Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffes montiert ist.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine elektrische Heizeinrichtung (15), die in der Vorgemischkammer (13) angeordnet ist.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizeinrichtung (15) zum Zeitpunkt des Starts des Verbrennungsvorgangs unter Strom gesetzt wird, wobei eine Zufuhr des Kraftstoffes und der Luft in einer geringen Menge gestartet wird, wenn eine vorbestimmte Zeitspanne (t1) verstrichen ist, seitdem die elektrische Heizeinrichtung (15) unter Strom gesetzt ist, wobei wenn eine Temperatur des durch den Katalysatorkörper (2, 3) hindurchgetretenen Abgases einen ersten vorbestimmten Wert (T1) erreicht, eine Zufuhrmenge des Kraftstoffes und der Verbrennungsluft kontinuierlich oder schrittweise gesteigert wird, und wenn die Temperatur des durch den Katalysatorkörper (2, 3) hindurchgetretenen Abgases einen zweiten vorbestimmten Wert (T2) erreicht, der größer als der erste vorbestimmte Wert (T1) ist, die Zufuhr von Strom zu der elektrischen Heizeinrichtung (15) gestoppt wird.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine elektrische Hilfsheizeinrichtung (24) zum Heizen der von der Luftzuführeinrichtung (7) zugeführten Luft, wobei die elektrische Hilfsheizeinrichtung (24) auch zu dem Zeitpunkt unter Strom gesetzt wird, zu dem die elektrische Heizeinrichtung (15) unter Strom gesetzt wird.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Startkatalysatorkörper (30) mit einer elektrischen Leitfähigkeit, der an einem Abschnitt angeordnet ist, der näher an der Vorgemischkammer (13) als der ringförmige Katalysatorkörper (2) liegt, wobei der Startkatalysatorkörper (30) von außen unter Strom gesetzt wird und als ein elektrischer Widerstand Wärme erzeugt, während er unter Strom gesetzt ist.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zeitpunkt des Starts des Verbrennungsvorgangs der elektrisch leitfähige Startkatalysatorkörper (30) unter Strom gesetzt wird, wobei wenn eine vorbestimmte Zeitspanne (t1) verstrichen ist, seitdem der Startkatalysatorkörper (30) unter Strom gesetzt ist, eine Zufuhr des Kraftstoffs und der Luft in einer geringen Menge gestartet wird, und wobei, wenn eine Temperatur des durch den ringförmigen Katalysatorkörper (2) und den Startkatalysatorkörper (30) hindurchgetretenen Abgases einen ersten vorbestimmten Wert (T1) erreicht, eine Zufuhrmenge des Kraftstoffes der Luft kontinuierlich oder schrittweise gesteigert wird, und wobei, wenn die Temperatur des durch die beiden Katalysatorkörper (2, 30) hindurchgetretenen Abgases einen zweiten vorbestimmten Wert (T2) erreicht, der größer als der erste vorbestimmte Wert (T1) ist, die Zufuhr von Strom zu dem Startkatalysatorkörper (30) gestoppt wird.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Katalysatorkörper (2) elektrisch leitfähig ist und von außen unter Strom gesetzt wird, wobei der ringförmige Katalysatorkörper (2) unter Strom gesetzt wird, während der Startkatalysatorkörper (30) unter Strom gesetzt wird, so daß die beiden Katalysatorkörper (2, 30) als elektrische Widerstände Wärme erzeugen.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch ein Heizwärmeübertragungsmedium, das an der einen Endseite des Katalysatorkörpers (2, 3, 30) enthalten ist; einen Wärmetauscher (40), der an der einen Endseite des Katalysatorkörpers (2, 3, 30) zum Wärmeaustausch mit dem durch den Katalysatorkörper (2, 3, 30) hindurchgetretenen Abgas angeordnet ist, um das Heizwärmeübertragungsmedium zu heizen.
Katalytische Verbrennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch ein Heizwärmeübertragungsmedium, das um den Verbrennungszylinder (4) enthalten ist; einen Wärmetauscher, der um den Verbrennungzylinder (4) zum Austausch der Wärme mit dem durch den Katalysatorkörper (2, 3, 30) hindurchgetretenen Abgas angeordnet ist, um das Heizwärmeübertragungsmedium zu heizen.