DE2211655A1 - Einrichtung zum Vermindern von unver brannten und teilweise verbrannten Gas mengen in Abgasen von Drehkolben Brenn kraftmaschinen - Google Patents

Description

• Einrichtung zum Vermindern von unverbrannten und teilweise verbrannten Gasmengen in Abgasen von Dre1olben-Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Vermindern von unverbrannten und teilweise verbrannten Gasmengen, die in Abgasen einer Drehkolben-Brennkraftmaschine unvermeidbar vorhanden sind, die einen Abgasreiniger in ihrer Auspuffanlage hat.
• Unverbrannte und teilweise verbrannte, giftige Gase in den Maschinenabgasen sind wegen der Luftverschmutzung ein großes Problem für die Automobilindustrie. Es wurden daher zahlreiche Versuche gemacht, dieses Problem zu lösen. Ein Versuch geht dahin, in einer Auspuffanlage der Maschinenabgasmündung einen Abgasreiniger, beispielsweise einen Nachbrenner oder einen chemischen Umsetzer unter Verwendung eines Katalysators, vorzusehen, in dem die terunreinigten Abgase, die Kohlenwasserstoffe und/oder Kohlenmonoxyd enthalten, in Gegenwart von frischer Iluft oder einem geeigneten Oxydierungsmittel nachverbrannt werden.
• Bei bekannten Methoden haben sich jedoch Schwierigkeiten dann ergeben, wenn die giftigen Gase während einer bestimmten Betriebsweise des Automobils wirksam vermindert werden sollten.
• Unmittelbar nach dem Start einer Brennkraftmaschine wird der Abgasreiniger während einer gewissen Zeitdauer kalt gehalten, wobei sich eine verschlechterte Nachverbrennungsfähigkeit ergibt. Während des Leerlaufens der Maschine, bis sie sich genügend erwärmt hat, zeigt der Abgasreiniger nicht seine hohe Nachbrennfähigkeit, so daß eine erhebliche Menge an die luftverschmutzenden Bestandteilen aus dem Abgasrohr abgegeben werden.
• Außer;den genannten Schwierigkeiten, die allen Typen von Brennkraftmaschinen gemeinsam sind, gibt es ein schwerwiegendes Problem, das mit einer Drehkolbenmaschine zusammenhängt. Bekanntlich wird bei dem Ansaughub und dem Kompressionshub einer Drehkolbenmaschine eine BuSt-Brennstoffmischung örtlich angereichert, insbesondere in der Nähe des hinteren Abschnittes der Motorkammer. Dies beruht teilweise darauf, daß gegebenenfalls verhältnismäßig große Brennstofftropfen im Verlauf des Ansaughubes und des Kompressionshubes auf Grund ihrer Schwerkraft zurückgelassen werden, und zum Teil darauf, daß die Dichtglieder, die an den Loben des Rotors angeordnet sind, bei einer Drehung des Rotors in einer regulären Sequenz die flüssige Brennstoffschicht abschaben, die sich an der Innenfläche des zentralen Motorgehäuses abscheidet. Wenn die liuft-Brennstoffmischun£; insgesamt nahe bei dem Ende des Kompressionshubes, insbesondere unmittelbar vor dem oberen 'llotpunkt, gezündet wird, wird daher eine örtlich unregelmäßige Verbrennung in der Motorbrennkammer erreicht, so daß eine gewisse Menge an Reaktionszwischenprodukten, beispielsweise Kohlenwasserstoffe oder K(!hlenmonoxSd, erzeugt wird. Dieser unerwünschte Verbrennungseffekt herrscht insbesondere während -des Leerlaufens und während des Warmitufens der Drehkolbenmaschine vor, wenn die Maschinentemperatur auf niedrigen Werten bleibt und wenn die- Reinigungsfähigkeit des Abgasreinigers auf einem geringen Wirkungsgrad bleibt. Auf lange Sicht liegt der Hauptgrund dafür, daß es praktisch unmöglich ist, den Gehalt an giftigen Gasen in den Abgasen einer Drehkolbenmaschine auf ein Minimum zu halten, selbst wenn ein Abgasreiniger vorgesehen ist, darin, daß die vorderen und hinteren Teile der Motorkammer unter Kompression-Luft-Brennstoffmischungen mit verschiedenen Mischungsverhältnissen enthalten.
• Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu Grunde, eine Einrichtung zum Vermindern von unverbrannten und teilweise verbrannten Gasmengen in Abgasen einer Drehkolben-Brennkraftmaschiene zu schaffen, die bezüglich der genannten Schwierigkeit verbessert ist.
• Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß eine Frischluft-Brennstoffmischung, die unter Kompression in einer Motorkammer einer Drehkolbenmaschine vorhanden ist, die einen Abgasreiniger in ihrer Auspuffanlage hat, periodisch direkt in die Auspuffanlage direkt in den Abgasreiniger oder stromauf von dem Abgasreiniger in Abhängigkeit von dem Kompressionszustand- in der Motorkammer eingeführt wird, so daß der Nachbrennzustand des Abgasreinigers während des Warmlaufens durch die eingeführte Frischluft-Brennstoffmischung verbessert wird.
• Vorzugsweise wird das periodische einführen der Frischluit-Brennstoffmischung dadurch erreicht, daß eine angereicherte Frischluft-Brennstoffmischung, die e in dem hinteren Teil der Motorkammer zurückgelassen wurde, insbesondere in den Reiniger abgezogen wird, so daß die Verteilung des Mischungsverhältnisses in der gesamten Motorkammer gleichförmiger gemacht werden kann.
• In vorteilhafter Weise wird die periodische Zufuhr von Frischluft-Brennstoffmischung abgesperrt, wenn die Betriebstemperatur des Abgasreinigers über einem vorbestimmten Niveau liegt, was bedeutet, daß das Warmlaufen abgeschlossen ist.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Einrichtung zur Verminderung der Abgabe giftiger Abgase, wobei die Einrichtung für eine Drehkolbenmaschine bestimmt ist; Figur 2 eine ähnliche Darstellung wie Figur 1, wobei ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt ist; und Figur 3 eine Kennlinien-Darstellung der Beziehung zwischen dem Kammerdruck und dem KurbeLwinkel einer Drehkolbenmaschine.
• In Figur 1 ist die erfindungsgemäße Einrichtung 10 gezeigt, die zum Vermindern der Abgabemenge an giftigen Abgasen dient und zusammen mit einer Brennkraftmasciiine 11 verwendet wird. Die Drehkolbenmaschine 11 kann in herkömmlicher Weise aufgebaut sein und hat als Ausführungsbeispiel ein Motorgehäuse, das aus einem ringförmigen Mittelgehäuse 12 mit einer trochoiden-förinigen, inneren Umfangswand 13 und Seitenwände (nicht gezeigt) aufweist, die zusammen eine Motorkammer 14 bilden. Der im wesentlichen dreieckige Rotor oder Drehkolben 15 ist exzentrisch drehbar um eine KurbelwelLe (nicht geseigt) iii der Motorkammer 14 gelagert. Dieser Drehkolben 15 ist an seinem entsprechenden Scheitelpunkt 15a und seiner F-lanke 15b mit geeigneten Dichtmitteln (nicht gezeigt) versehen, so daß eine Strömungsmittel dichte Dichtung zwischen dem Drehkolben 15 und der Innenwand 13 gebil-det wird. Der Drehkolben dreht sich um die Kurbelwelle in Richtung eines Pfeiles 16, wobei in einer regulären Sequenz von Ansaugen, -Kompressiön, Expmmsion lund Abgasabgabe vier Arbeitshübe ausgeführt werden. Um diese Arbeitshübe durchzuführen, ist eine Einlaßmündung 17 in dem Motorgehäuse ausgeformt und dient dazu, eine Frischluft-Brennstoffmischung, die gewöhnlich hinreichend zerstäubt ist, in die Brennzone der Motorkammer 14 einzulassen. In dem Motorgehäuse ist ferner eine Auslaßmündung 18 ausgebildet, um die verbrannten Gase von der Motorkammer 14.
• abzulassen. Eine geeignete Zündeinrichtung 19, die zweifach dar-i gestellt ist, ist ebenfalls in dem Motorgehäuse angeordnet, um die Luft-Brennstoffmrnschung in der Brennzone zu zünden. Um die unverbrannten oder teilweise verbrannten, giftigen Gase nachzuverbrennen oder zu verbrauchen, hat die Drehkolbenmaschine 11 der gezeigten Art einen Abgasreiniger 21, der gewöhnlich in einer Auspuffanlage (nicht mit einem Bezugszeichen versehen) stromab von der Auslaßmündung 18 liegt. Der Abgasreiniger 21 kann auf bekannte Weise, beispielsweise als Nachbrenner oder als chemischer Umsetzer mit einem Satalysator,gausgeführt sein, worin die verunreinigten Auspuffgase in Gegenwart von Luft oder einem anderen Oxydierungsmittel verbraucht werden.
• Die erfindungsgemäße Einrichtung weist im wesentlichen eine Nebenleitung 22 und eine geeignete Steuereinrichtung 27 auf, wie dargestellt ist. Die Nebenleitung 22 weist an ihren beiden Enden eine Einlaßmündung 22a, die in die Motorkammer 14 offen ist, und eine Auslaßmündung 22b auf, die sich wie gezeigt zu der Abgasmündung 18 oder direkt in den Abgasreiniger 21 öffnet. Die Einlaßmündung 22 ist genauer in einem Teil des Motorgehäuses angeordnet, der eine flotorkammer unter Kompression definiert. Die Einlaßmündung 22a ist jedoch vorzugsweise in der Notorkammer bei Einlaß angeordnet, wenn der Drehkolben 15 sich in einer Drehlage befindet, die durch die ausgezogene Linie dargestellt ist,' wobei die brennbare Luft-Brennstoffmischung kurz vor der Zündung steht. Es ist leicht zu ersehen, daß die Einlaßmündung 22a in einem der beiden Seitenwände an der der Drehlage entsprechenden Stelle derselben ausgebildet sein kann. In jedem Fall ist die Einlaßmündung 22a so ausgeführt, daß sie sich wenigstens in eineunter Kompression stehende Motorkammer 14a öffnet.
• Die durch eine ausgezogene linie dargestellte Lage des Drehkolbens 15 entspricht in der Kompressions-Druckkurve, wie sie in Figur 3 als ausgezogene Linie 31a und gestrichelte Linie 31b dargestellt ist, einem Punkt A, der den oberen Scheitelpunkt anzeigt. Bekanntlich bedeutet dieser obere Scheitelpunkt, daß der Kurbelwinkel gleich Null Grad ist, während der höchste Kompressionsdruck herrscht. Ein anderer Punkt B auf der ausgezogenen Linie 31a zeigt daher an, daß der Kompressionsdruck geringfügig unter dem Maximum liegt, d.h. daß der Kurbelwinkel, der bei einem anderen Punkt a liegt, unmittelbar vor dem oberen Scheitelpunkt steht. Nach der Zündung steigt der Kammerdruck abrupt auf der charakteristischen Kurve 32 an, wie in Figur 3 gezeigt ist.
• Gemäß Figur 1 ist die Steuereinrichtung 23 in der Mitte der Nebenleitung 22 angeordnet und spricht auf den Eompressionszustand der Motorkammer 14a und zwar direkt auf den darin herrschenden Kompressionsdruck oder den Kurbelwinkel an, so daß sie ein periodisches Einführen von komprimierter Luft-Brennstoffmischung über die Nebenleitung 22 in den Abgasreiniger 21 grestattet. Die Steuereinrichtung 23 kann ein an sich bekanntes Ventil sein, das so voreingestellt wird, daß es sich öinet, wenn der Drehkolben 15 die Drehlage eirniiit, die durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. Diese Drehlage wird durch den speziellen Punkt B im Zusammenhang mit dem Kammerdruck oder durch den speziellen Punkt C im Zusaninienhang mit dem Kurbelwinkel festgelegt.
• Die Steuereinrichtung 23 kann ein Druckentlastungsventil sein, das direkt auf den Kompressionsdruck in der unter Kompression stehenden Motorkammer 14a anspricht. Auch ein solenoid-betätigtes Ventil kann als Steuereinrichtung 23 verwendet werden, da sich bei seiner Erregung öffnet. In diesem Pall wird ein Kurbel winkelfühler (nicht gezeigt) verwendet, um ein elektrisches Signal für das Solenoid-Ventil zu liefern, daß dieses erregt wird, wenn der Kurbelwinkel den Wert C unmittelbar vor dem oberen Scheitelpunkt erreicht. Schließlich kann die Steuereinrichtung 23 vorzugsweise ein gewöhnliches mechanisches Ventil aufweisen, das sich bei seiner Betätigung öffnet, wobei ein mechanisches Gestänge '(nicht gezeigt) mit der Drehbewegung des Drehkolbens 15 gekoppelt ist, um das mechanische Ventil zu betätigen, wenn der Kurbelwinkel desenWert C erreicht.
• Wenn im Betrieb eine Frisch-'luft-Brennstoffmischung in die Motorkammer 14 durch die Einlaßmündung 17 eingesaugt wird, wird die luft-Brennstoffmischung sodann darin komprimiert, während sich der Drehkolben 15 auf dem Kompressionshub dreht, bis er die durch die ausgezogene Linie dargestellte Drehlage einnimmt.
• In der Zwischenzeit öffnet sich das Steuerventil 23 in dem Moment, wenn der Drehkolben 15 an der durch die gestrichelte Linie'dargestellte Position vorbei geht. Wenn das Ventil 23 offen ist, wird eine kalibrierte Menge an Luft-Brennstoffmischung durch die Nebenleitung 22 in die Abgasmündung 18 gezogen oder ausgestoßen und unmittelbar danach in den Abgasreiniger zur Nachverbrennung weitergegeben. Es ist zu beachten, daß, wenn die Einlaßmündung 22a in dem hinteren Teil des Motorgehäuses liegt, der die unter Kompression stehende Kammer bildet, ein örtlich angereicherter Teil der Luft-Brennstoffmischung in den Abgasreiniger 21 eingefülirt werden kann. Dieser Vorteil wird aus der Tatsache ersichtlich, daß die Verteilung des Mischungsvernältnisses entsprechend in der Motorverbrennungskammer gleichmäßig gemacht wird, so daß die sich daraus ergebende, reguläre Verbrennung einen geringeren Gehalt an unverbranntem und teilweise verbranntem Gas in den Motorauspuffgasen erzeugt.
• Die Luft-Brennstoffmischung, die aus dem hinteren Teil der unter Kompression stehenden Kammer ausgestossen wird, ist insbesondere beim Leerlauf und bei hohen Beschleunigungen im Betrieb von Kraftfahrzeugen ein überreiches Gemisch, so daß es erwünscht ist, Zweitluft zuzuführen, bevor die Mischung i@ den Abgasreiniger 21 eintritt. Auf diese Weise wird eine genügende Menge an frischer und noch nicht verunreinigter Luft in den Reiniger 21 zugeführt, so daß der Verbrennungszustand desselben verbessert wird. Mit anderen Worten kann der Reiniger 21 ordnungsgemäß in einer kürzeren Zeitdauer vorgewärmt werden oder warmlaufen.
• Um die frische Zweitluft einzuführen, ist eine Zweitlufteinrichtung vorgesehen, die eine Zweitluftleitung 24 mit einer Auslaßmündung 24a aufweist, die sich in die Abgasmündung 18 in der Nähe der Auslaßmündung 22b der Nebenleitung 22 öffnet.
• Eine Luftpumpe 25 kann vorzugsweise vorgesehen sein, und in Strömungsmittelverbindung mit der Zweitluftleitung 24 stehen, um durch diese frische Zweitluft aussupumpen, die ein höheres Druckniveau hat als der Auspuffrückdruck, der möglicherweise in der Abgasmündung 48 herrscht. Vorzugsweise wird die Zweitluft in solch einer Weise eingeführt, daß die Zweitluft den Motorauspuffgasen, die die Frisch-Duft-Brennstofimischung enthalten, genügend beigemischt wird. Zwischen der Zweitluftleitung 24 und der Luftpumpe 25 ist vorzugsweise ein Luftbehälter 26 für die zeitweise Speicherung der Zweitluft vor ihrer Einführung in die Abgasmündung 18 vorge seilen.
• Obwohl das Anwärmen des Abgasreinigers 21 während des Leerlaufes oder des Wa@mlaufens durch das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ninrichtung unterstützt wird, ergibt sich jedoch ein Nachteil aus dem Betrieb des Steuerventiles 23. Da das Steuerventil 23 sich nur in Abhängigkeit VOil dem Kompressionszustand in der unter Kompression stehenden Motors kammer 14 öffnet und schließt, wird Luft-Brennstoffmischung beim Kompressionshub weiterhin auch dann ausgestossen, nachdem der Abgasreiniger 21 genügend warii ist, so daß er den richtigen Reinigungseffekt bringt. Dadurch wird unvermeidbar eine 'Verschlechterung in der Brennstoff ökonomie und dem Motor-verhalten verursache.
• Dieser Nachteil kann dadurch beseitigt werden, daß eine geeignete Absperreinrichtung vorgesehen wird, die auf die Betriebstemperatur des Abgasreinigers 21 anspricht. Insbesondere wird die Zuluhr an Luft-Brennstoffmischung durch eine Absperreinrichtung gesperrt, wenn die Betriebstemperatur über einem vorbestimmten Niveau ist, das bestimmt, daß das Warmlaufen des Reinigers 21 abgeschlossen ist.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem dieses Konzept verwirklicht ist, wird im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben, wobei die Betriebstemperatur direkt an dem Reiniger 21 abgetastet wird. Im einzelnen ist ein Absperrventil 27 in der Mitte der Nebenleitung 22 in Reihe mit dem Steuerventil 23 angeordnet.
• Das Absperrventil 2'/ kann sich schließen, wenn es von einem Warmlauffühler 28 betätigt wird, der neben dem-Reiniger 21 angeordnet dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Fühler ein elektrisches Element, beispielsweise einen Thermistor aal, um ein elektrisches Signal durch eine elektrische Verbindung 29 an das Absperrventil 27 für dessen Betätigung zu liefern.
• In Figur 2 bezeichnen gleiche Bezugszahlen und Buchstaben die gleichen Teile wie in Figur 1, so daß deren Erläuterung entfallen kaiin. Entsprechend sind auch die Luftpumpe 2)? und der Luftbehalter 26 weggelassen, um die Figur 2 zu vereiniachen.
• Der Fühler 28 kann auch ein mechanisches Element, beispielsweise ein Bimetallelemellt oder ein sich bei Wärme ausdehnendes Element, aufweisen, das die Betriebstemperatur abtastet und das mechanisch an das Absperrventil 27 für dessen Betätigung angelenkt ist. Andererseits kann der Fühler 28 entweder nahe bei dem Motorgehäuse 12 oder der Abgasmündung 18 liegen, um die Betriebstemperatur über die Temperatur des Motorgehäuses oder die Temperatur der Auspuffgase abzutasten. Was die relative Anordnung des Steuerventiles 23 und desAbsperrventiles 27 betrifft, so ist zu beachten, daß das erstere stromauf vou den letzteren in Strömungsrichtung der Luft-Brennstoffmischung, die umgeleitet wird, liegt ur umgekehrt.
• Wenn die Drehkolbenmaschine 11 anfänglich gestartet wird, wobei der Abgasreiniger 21 kalt ist, bleibt das Absperrventil 27 offen, weil die Temperatur des Reinigers 21 unter dem vorbestimmten Niveau liegt. Daher wird das Steuerventil 23, wie im Zusgnmenhang mit Figur 1 erläutert wurde, zu dem Zeitpunkt geöffnet, wenn der Kompressionsdruck einen vorbestimmten Wert annimmt, der dem Punkt B oder dem Punkt C (Figur 3 ) entspricht. D her wird eine örtlich angereicherte Luft-Brennstoffmischung, die in dem hinteren Teil der unter Kompression stehenden Motorkammer 14a zurückgelassen wird, über die Nebenleitung 22 iii die Abgasmündung 18 gezogen. Diese angereicherte Mischung wird dann verbrannt oder durch Reaktion in dem Abgasreiniger 21 verbraucht, um diesen vorzuheizen oder anzuwärmen.
• Bei der nachfolgenden Stufe, wenn der Reiniger 21 voll angewärmt ist, wird das Absperrventil 27 geschlossen, um zu verhindern, daß die unter Kompression stehende Luft-Brennstoffmischung in die Abgasmündung 18 einspritzt. In diesem Stadium hat sich der Verbrennungszustand der Maschine 11 bereits zusammen mit seinem Einsprühverhalten verbessert. Daher wird sich die angereicherte Mischung, die die Innenrand 13 in dem hinteren Teil befeuchtet haben kann, verflüchtigt haben, so daß sich eine gut zerstäubte Mischung ergibt. Sonst wird die angereicherte Mischung von der Ansaugmischung des nachfolgenden Zyklus aufgesaugt, oder mit ihr gemischt. Auf diese Weise wird der genannte Nachteil der Verschlechterung in der Brennstoffökonomie und dem Maschinenverhalten behoben, nachdem die Betriebstemperatur des Reinigers 21 höher als ein vorbestimmtes Niveau ist, selbst wenn keine Luft-Brennstoffmischung in diesen eingeführt wird.
• Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich ist, kann die ertindungsgemäße Eiiirichtung zur Verminderung der giftigen7 abgegebenen Abgase den Verbrennungszustand eines Abgasreinigers verbessern, der in einer Brennkraftmaschine mit Drehkolben verwendet wird. Daher kann die Einrichtung die unverbrannten und teilweise verbrannten Bestandteile in den Maschinenauspuffgasen insbesondere während des Leerlauf's oder des Warmlaufens der Drehkolbenmaschine auf ein Minimum herabsetzen, so daß sie eine hervorragende Lösung für das schwerwiegende luftverschmutzungsproblem darstellt.

Claims (3)

Patentansprüche

1. Einrichtung zum Vermindern von unverbrannten und teilweise verbrannten Gasmengen, die in Abgasen einer Drehkolben-Brennkraftmaschine unvermeidbar vorhanden sind die einen Abgasreiniger in ihrer Auspuifanlage hat, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nebenleitung (22) als Strömungsmittelverbindung zwischen der unter Kompression stehenden Hotorkammer (14a) und dem Abgasreiniger (21) vorgesehen ist, wobei die Strömungsmittelverbindung durch ein Steuerventil (23) periodisch aufsteuerba@ ist, das in der Mitte der Nebenleitung (22) angeoranet ist, und daß das Steuerventil (23) entweder auf den Kompressionsdruck in der Motorkam@er oder auf der Karbelwinkel der haschine anspricht, um u@er die Hebenleitung (22) eine in der Hotorkam@er vorhandene Frischluft-Brenrsto@@mischung in den Abgasreiniger (21) einzuführen, vodurch die unverbra@nten und teilweise versrannten Gasmengen in Gegenwart von oder ohne Frischlu@t oder eines geeigneten Ox dation@mit els in dem Abgasreiniger (21) auf ein Minimum nachvorbrannt wird, dessen Verorennungsvermögen durch die Frisch@uit-Brennstoffmischung ver@essert ist.

2. Einrichtung nach @@spruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenleitung(22) eine in den hint@@en Teil der Motorkammel offene Einlaßmündung hat, wobei eine angereicherte, in dem hinteren nachlaufenden Teil zurückgelassene Luft-Brennstof@-mischung durch die Nebenleitung 22 in den Abgasreiniger (21) eingelassen wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Absperreimichtung (27) in der Hitte der Nebe@leitung (22) in Reihe mit dem Steuerventil (23) vorgesehen ist, und auf die Betriebstemperatur des Abgasreinigers (21) anspricht, um die periodische Zufuhr von Frischluft-Brennstoffmischung zu unterbrechen, wenn die Betriebstemperatur über einem vorbestimmten Wert liegt, der bedeutet, daß das warmlaufen des Abgasreinigers (21) abgeschlossen ist.

L e e r s e i t e