DE2021663A1

DE2021663A1 - Verfahren zur Abgasentgiftung an Otto-Motoren und Anlage zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2021663A1
Application number: DE19702021663
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr-Ing Klaue; Josef Dr-Ing Reisacher
Original assignee: Kuehnle Kopp and Kausch AG
Current assignee: Howden Turbo GmbH
Priority date: 1970-05-02
Filing date: 1970-05-02
Publication date: 1971-11-25
Also published as: DE2021663B2; DE2021663C3

Description

B e s c h r e i b u n g Verfahren zur Abgasentgiftung an Otto-Motoren und Anlage zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasentgiftung an Qtto-Motoren und eins Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Der Zweck eines solchen Verfahrens ist, die giftigen noch brennbaren Anteile von Kohlenoxyd und OH-Verbindungen in den Abgasen des Otto-Motors durch eine Nachverhrennung zu beseitigen. Solche Verfahren bzw. Anlagen sind bekannt als Nachbrennanlagen, welche mit dem Auspuffleitungssystem des Otto-Motors verbunden sind. Die bekannten Anlagen haben den Nachteil, daß sie eine Brennkammer mit umfangreichem Zubehör benötigen, insbesondere auch eine Luftförderpumpe, die die zur Verbrennung erforderliche Luft herbeischafft Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Entgiftungsverfahren zu finden bzw. eine Anlage zu entwickeln, die einfacher und demgemäß billiger ist als die bekannten Nachverbrennungsanlagen, und die darüberhinaus zusätzlich eine Aufladung des Motors zur Leistungssteigerung ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem die Abgase in einer Abgas turbine entspannt werden, die einen Verdichter antreibt, der die Buft für die Nachverbrennung liefert, In einer Weiterentwicklung des Verfahrens wird außerdem zwischen dem Motor und der Turbine im Abgasweg ein Wärmetauscher eingeschaltet, der die vom Verdichter kommende Luft erwärmt, bevor sie dem Nachbrenner zugeführt wird. Außerdem ergab sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die besonders vorteilhafte Möglichkeit, nur einen Teil der vom Verdichter gelieferten Luft für die Nachverbrennung zu verwenden, während der andere Teil zur Aufladung des Motors benutat wird.
Bei einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, die Laufräder der Abgasturbine und des Verdichters auf einer gemeinsamen Welle nach Art der bekannten Abgasturbolader anzuordnen, wobei ein normaler serienmäßiger Abgasturbolader verwendet werden kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen einer solchen Anlage, insbesondere des Abgasturboladers selbst, werden anhand der Zeichnungen im folgenden zusätzlich erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Schaltschema des erfindungsgemäßen Verfahrens, Fig. 2 ein Ausführungebeispiel am Schnittbild eines Abgasturboladers, Fig 3 und 4 Binzelheiten eines zweckmäßigen Wärmetauschers bei dem Verfahren.
In Fig. 1 bedeutet M den Kolbenmotor, A die abgasführenden Leitungen, L die luftführenden Leitungen. Vom Motor M werden die Abgase über den Wärmetauscher WT der Turbine T zugeführt, wo sie entspannt werden. Von der Turbine gelangen sie in den Nachbrenner NB. Die Turbine treibt den Verdichter V, der die Luft zu einem Verteiler U fördert. Die zur Nachverbrennung benötigte Luft geht über den Wärmetauscher WT, indem sie mit Hilfe der Abgaswärme erhitzt wird, in den Xachbrenner NB, wo sie die giftigen Bestandteile des Abgases, nämlich das Kohlenoxyd und die CH-Verbindungen, verbrennt. Vom Verteiler U kann ein Teil der Luft zur Aufladung dem Motor M zugeführt werden. Bei Betriebszuständen, die außerhalb des Abgastestbereiches liegen bzw. bei denen eine Gefahr, daß giftige Bestandteile in schädlicher Menge im Abgas enthalten sind, nicht besteht, kann auch die gesamte Ladeluft zur Leistungssteigerung des Motors benutzt werden.
Fig. 2 zeigt das Schnittbild der Turbine eines beispielhaften Abgasturboladers, der für das erfindungsgemäße Verfahren zur Abgasentgiftung besonders vorteilhaft verwendet werden kann. Der dargestellte Abgasturbolader unterscheidet sich von den üblichen vor allem dadurch, daß er ein Regelorgan 2 besitzt, das mit einem Regelschild 6 einen Teil des Austrittsquerschnittes des Turbinenlaufrades 5 durch axiale Verschiebung versperren kann. Dadurch wird dem Turbolader ein gewisser Regeleffekt überlagert, so daß bei zugestelltem Regelschild höhere Drehzahlen und höhere Ladedrücke erreicht werden. Dadurch ist es möglich, über einen größeren Drehzahlbereich des Otto-Motors und über verschiedene Lastbereiche einen noch genügend hohen, möglichst gleichmäßigen Ladedruck zu erreichen. Die Regelung kann auch oder zusätzlich dadurch erfolgen, daß der Durchtrittsquerschnitt in der Eintritts spirale der Turbine verändert wird.
Die zur Nachverbrennung zuzuführende Luft wird bei der Turbine nach Fig. 2 über nicht dargestellte Einlaßbohrungen in den Raum8 um das Regelorgan 2 herum eingeführt. Von dort strömt sie durch Bohrungen 13 insInnere (wie durch Pfeile angedeutet) und mischt sich zwischen dem Austritt 9 des Laufrades und dem Regelschild 6 im Ringraum 10 dem Abgasstrom bei. Ein Teil der Nachbrennluft wird durch die Schaufelenden des Turbinenlaufrades mitgenommen, wodurch die Vermischung zwischen Abgas, das aus dem Durbinenlaufrad austritt, und der Nachbrennluft besonders gefördert wird. Die Nachbrennluft kann auch ganz oder teilweise durch den Ringspalt12 in den Raum 11 hinter dem Regelschild geführt werden, so daß sie sich hinter dem durch Laufradaustritt und Regelschild gebildeten Querschnitt 15 mit dem Abgas mischt.
Es kann auch Nachbrennluft aus dem Raum 16 an der Rückseite des Laufrades zugeführt werden. Dies hat noch den Vorteil, daß das heiße Laufrad gekühlt wird, was gegebenenfalls die Verwendung eines weniger warmfesten und damit billigeren Werkstoffes für das Laufrad gestattet.
Der in Fig. 2 dargestellte Abgasturbolader besitzt einen Radialdiffusor 4, der an sic eine besonders günstige Ausnutzung der Abgasenergie durch Erniedrigung des Austrittsdruckes, ggf. unter de Atmosphärendruck, ergibt. Dieser Radialdiffusorraum dient gleichzeitig als Nachbrennraum, wobei durch die ringförmige Aufspaltung des Abgasrtroines und die ringförmig dosierte Beimischung der Nachbrennluft eine möglichst vollkommene Verbrennung der giftigen Bestandteile erfolgt. Wenn die im Turbolader verdichtete Luft für die Nachverbrennung in einem Unterdruckgebiet 10 oder 15 dem Abgas beigemischt wird, ist für die Zumischung ein größeres Druckgefälle vorhanden als für die Aufladung des Motors.
Das ist besonders vorteilhaft im Leerlauf, wo durch die Drallklappe die Aufladung ohnehin zunichte gemacht wird.
Es können ferner Einrichtungen vorgesehen werden, welche eine Erst zündung oder eine Stabilisierung der Flamme in kritischen Betriebsbereichen ermöglichen.
Für den Wärmetauscher des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde eine besonders vorteilhafte Ausbildung gefunden. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Auspuffleitung oder des Turbinengehäuses als Wärmetauscher für die Nachbrennluft ausgebildet ist.
Pig. 3 und 4 zeigen ein Beispiel, bei dem die Auspuffleitung hierzu benutzt wird. Fig. 3 stellt einen Längsschnitt durch einen Teil eines Auspuffsystems dar, wobei die Auspuffleitung so nahe an den Zylinderblock 22 herangerückt ist, daß eine Begrenzungsfläche durch diesen gebildet wird. Die etwa halbkreisförmige Schale des Rohres 23 selbat ist von einem etwa halbkreisförmigen Mantel 24 umgeben. Der Zwischenraum zwischen 23 und 24 wird von der zur Nachverbrennung dienenden Luft durchströmt, wobei durch die relativ große Berührungsfläche und durch die großen Geschwindigkeiten ein guter Wärmeaustausch erreicht wird. Bei dem Abgasturbolader nach Fig. 2 ist das Turbinengehäuse 1 von einem Mantel 14 umgeben; der Zwischenraum 7 wird von der Nachbrennluft durchströmt, die an dem heißen Turbinengehäuse vorgewärmt wird.
Das Verfahren und die Anlage zur Abgasentgiftung nach der Erfindung haben den Vorteil, daß sie die giftigen Bestandteile des Abgases äußerst vollkommen verbrennen, so daß kein Kohlenoxyd und keine OH-Verbindungen mehr vorhanden sind. Dadurch daß die Nachverbrennung in der Abgasturbine des Turboladers erfolgt, ist eine besondere Nachbrennkammer nicht erforderlich. Die Anlage wird dadurch einfach und verhältnismäßig billig. Zusätzlich ist der Vorteil gegeben, daß ein Teil der Ladeluft zur Leistungssteigerung des Motors benutzt werden kann. Ferner kommen Zusatzeinrichtungen wie sie beispielsweise bei den bekannten Verfahren die mechanisch angetriebene Luftförderpumpe ist, in wegfall.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Abgasentgiftung an Otto-Motoren und Anlage zur Durchführung des Verfahrens 1. Verfahren zur Abgasentgiftung an Otto-Motoren durch Nachverhrennung der Abgasen außenhelb des Motors brennung der Abgase außerhalb des Motors, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase in einer Abgasturbine entspannt werden, die einen Verdichter antreibt, der die Luft für die Nachverbrennung liefert.
2. Verfahren zur Abgasentgiftung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasweg zwischen Motor und Turbine ein Wärmetauscher eingeschaltet ist, der die vom Verdichter kommende Luft erwärmt, bevor sie dem Nachbrenner zugeführt wird.
3. Verfahren zur Abgasentgiftung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der vom Verdichter gelieferten Luft für die Nachverbrennung verwendet wird, während der andere Teil zur Aufladung des Motors dient.
4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasturbine und der Verdichter auf einer Welle nach Art der normalen serienmäßigen Abgas turbolader angeordnet sind.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abgasturbine ein Regelorgan zur Veränderung des Durchtrittsquerschnittes an der Eintrittsspirale angeordnet ist.
6. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abgasturbine ein Regelorgan (2) zur Veränderung des Laufradaustrittsquerschnittes angeordnet ist.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abgasturbine gegenüber dem Laufradaustritt (9) ein axial verschiebbarer Regelschild (6) angeordnet ist.
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbrennluft zwischen Laufradaustritt (9) und Regelschild (6) dem Abgasstrom beigemischt wird.
9. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbrennluft unmittelbar hinter dem dadurch Laufradaustritt und Regelschild gebildeten Querschnitt (15) dem Abgasstrom beigemischt wird.
10. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachbrennluft sowohl zwischen Laufradaustritt (9) und Regelschild (6) wie auch hinter dem -ch Laufradaustritt und Regelschild gebildeten Querschnitt(15) @@m Abgasstrom beigefügt wird.
11. Anlage nach Anspruch 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Austritt der Abgasturbine ein Radialdiffusor (4) angeordnet ist.
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverbrennung im wesentlichen in dem Radialdiffusor (4) erfolgt.
13. Anlage nach Anspruch 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, welche eine Erst zündung oder eine Stabilisierung der Flamme in kritischen Betriebsbereichen ermöglichen.
14. Anlage nach Anspruch 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Auspuffleitung (21) oder/und des Turbinengehäuses (1) als Wärmetauscher für die Nachbrennluft ausgebildet ist.