DE2234764A1

DE2234764A1 - Abgas-entgiftungsanlage fuer verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2234764A1
Application number: DE2234764A
Authority: DE
Inventors: Max Yves Antonin Marie Serruys
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-07-16
Filing date: 1972-07-14
Publication date: 1973-01-25
Also published as: IT964681B; FR2146514A5; GB1402445A; US3866579A

Description

DR. MÜLLER-BORE DIPL.*PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL DIPL.-ING. FINSTERWALD DIPL.-ING. GRÄMKOW

PATENTANWÄLTE . / A O H / O .H

....... München, den 14.7.1972

Mak/Hu - S 2398

Max Yves Äntonin Marie Serruys 102 Rue du Bac
Paris 7 / Frankreich

Abgas-Entgiftungsanlage für Verbrennungsmotoren

Es sind bereits Entgiftungsanlagen vorgeschlagen worden, bei denen das Kohlenoxyd und die Kohlenwasserstoffe, die in den Abgasen enthalten sind, auf sehr geringe Werte herabgesetzt sind dank einer Regelung bzw. Einstellung des Brennstoff/ Verbrennungsmittel-Verhältnisses, das dazu tendiert, jeden eventuellen Überschuß an Brennstoff auf ein sehr niedriges¹ Niveau zu begrenzen und bevorzugt sogar einen Sauerstoffüberschuß aufrechtzuerhalten, der genügt, um die schädlichen Verbindungen zu oxydieren.

Jedoch neigen aufgrund des Gesetzes von. Le Chatellier Säuerst off Überschüsse dazu, die Bildung von Oxydationsprodukten wie Stickstoffoxyden zu favorisieren. Dies ist insbesondere bei Überschüssen an Verbrennungsmittel bzw. Sauerstoffträger in der Größenordnung von 1 bis 3 % der Fall.

Diese Entgiftungsanlagen favorisieren somit in einer paradoxen Weise die Bildung von Stickstoffoxyden, die, direkt öder indirekt, nicht weniger gefährlich wie das Kohlenoxyd oder die

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Dr. Muller-Bore Dr. Manitz · Dr. Deufsl ■ Dipl.-Ing. Rnsterwald Dipt.-Ing Grämkow

33 Braunschweig, Am Bürgerpark 8 8 München 22, Robert-Koch-Straße 1 7 Stuttgart-Bad Cannstatt, Marktstraße

Telefon (0531) 73887 Telefon (0811) 293645. Telex 5-22050 mbpat ' . Telefon (0711) 587261

Bank: Zentralkasse Bayer. Volksbanken, München, Kto.-Nr.9B22 Postscheck: München 95495

Kohlenwasserstoffe sind und gleichberechtigt mit diesen vermieden werden müssen.

Erfindungsgemäß kann in Gegenwart eines Überschusses an Verbrennungsmittel bzw. eines Sauerstoffträger-Überschusses, der genügend hoch ist, um sehr geringe Gehalte bzw. Anteile an Kohlenoxyd und Kohlenwasserstoff sicherzustellen,- ins luge gefaßt werden, die Verbrennungstemperatur abzusenken, so daß. die Glelchgewichtskonstante. des Massenwirkungsgesetzes so stark modifiziert ist, daß die Gehalte bzw- Anteile an Stickstoffoxyd ebenso beachtlich bzw. stark reduziert werden können. Durch die Temperaturabsenkung wird überdies eine Herabsetzung der Reaktionsgeschwindigkeiten hervorgerufen, die in der gesuchten, bevorzugten Richtung eingreift.

Erfindungsgemäß ist bei einer Abgas-Entgiftungsanlage für Verbrennungsmotoren, bei der das Verbrennungsmittel bzw. der Sauerstoffträger mit Überschuß'Vorgesehen ist, insbesondere bei einer Einrichtung des Typs, bei dem das Brennstoff/Verbrennungsmittel-Verhaltnis und insbesondere der Sauerstoffträger-Überschuß eingestellt wird, vorgesehen, daß die maximale Temperatur abgesenkt wird, die in den Abgasen unmittelbar nach deren Verbrennung und während der komplementären Kompression, die sie nach der Verbrennung erfahren, erzeugt wird, in der Weise, daß die Wärmekapazität des eine gegebene Masse an Brennstoff bzw. brennbarem Anteil (combustible) enthaltenden. Gemische erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird insbesondere Wasser oder ein wasserhaltiges Gemisch stromaufwärts der Verbrennungskammern ' oder inmitten van diesen zerstäubt, wobei auf die Ladung bzw. Belastung ansprechende Einrichtungen vorgesehen and, die den Durchsatz des eingespritzten Wassers oder wasserhaltigen Gemischs in der Weise beeinflussen bzw.- einstellen,

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daß der Durchsatz "bei starker Ladung bzw. Belastung
hoch, und bei schwacher Belastung reduziert oder sogar
Null ist. Mit Ladung bzw. Belastung und, genauer, Prozentsatz der Vollast in einem gegebenen Moment wird das Verhältnis zwischen dem tatsächlich in diesem Moment für eine gegebene Drehzahl des Motors' entwickelten Moment und dem maximalen Moment bezeichnet, das derselben Drehzahl des Motors entspricht. '

Es ist bekannt, daß die Belastung von dem Unterdruck (oder dem Vakuumgrad) abhängt, der in der Zufuhrleitung bzw.. in dem Ansaugrohr stromabwärts der Drosselklappe besteht: Es ist bekannt, daß bei Nullast, 'd-h. bei Vakuum, der Unterdruck maximal ist, während bei Vollast der Unterdruck
minimal ist. · ■ * ■ ■

Die Einrichtungen, die ©rfindungsgemäß den Durchsatz an in Abhängigkeit von'der Belastung eingespritztem Wasser oder

wasserhaltigem Gemisch modifizieren, können unter diesen Bedingungen des Unterdruck in dem Ansaugrohr, beispielsweise mittels einer Manometerkapsel bzw. einer Druckdose odQ?einem anderen geeigneten· Mittel unterworfen sein; sie können ebenso erfindwigsgemäß von einem Parameter abhängen,, der von dem Durchsatz au. γόη dem Motor angesaugtem Gas, beispielsweise von dem Unterdrück· abhängt, der durch den Durchgang dieses Gases durch eine Düse oder eine öffnung. mit konstantem Querschnitt erzeugt wird.

Bei einer Ausführungsform wird das Wasser (oder das wasserhaltige Gemisch) in die Luft eingespritzt und pulverisiert, die dem Vergaser zugeführt wird. Bei einer Variante wird das Wasser (oder das wasserhaltige Gemisch') parallel mit

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dem Kraftstoff zerstäubt, mit dem die Vergasereinspritzdüse versorgt wird. !

Gemäß einer weiteren Variante wird das Wasser (oder das wasserhaltige Gemisch.) in eine zusätzliche Luftzuführungskammer beispielsweise des Typs, wie er in der französischen Patentschrift 1 339 623, der französischen Zusatzpatentschrift 83 177 oder der französischen Patentschrift 1 552 156 beschrieben ist, zerstäubt.

Diese zustätzliche Zuführung von Luft ist dazu bestimmt, den Überschuß an Verbrennungsmittel einzustellen, um das Kohlenoxyd und die Kohlenwasserstoffe zu oxydieren, während das Hinzufügen eines Wa^sernebels oder eines Nebels von wasserhaltigem Gemisch es ermöglicht, die Bildung von Stickstof foxyden zu vermeiden oder stark zu reduzieren.

Bevorzugt wird die zusätzliche Zuführung von Luft mit einer solchen Regelung vorgesehen, daß bei mittleren oder schwachen Belastungen der Überschuß an Verbrennungsmittel bzw. Sauerstoff träger auf einen Vert angehoben bzw. einen solchen Wert gehalten wird, der genügend hoch ist, um den Gehalt an Sauerstoff der trockenen Abgase in der Größenordnung von 4- bis 8 % zu halten, einem Wert, der vermittels bestimmter Vorsichtsmaßnahmen mit der Belastung und mit einer regelmäßigen Funktionsweise ebenso wie mit dem Erreichen von genügend geringen Anteilen von Kohlenwasserstoffen verträglich ist, während bei starken Belastungen (bei denen ein starker Überschuß an Verbrennungsmittel nicht erreicht werden kann) die Bildung von Stickstoffoxyden vermiden wird, indem ein starker Anteil an zerstäubtem Wasser in das Verbrennungsgemisch eingespritzt wird.

Gemäß einer anderen Variante kann das Wasser oder das wasserhaltige Gemisch direkt in die Verbrennungskammer,

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bevorzugt in den Bereich dieser Kammer, in via.cb.em die

bzw.verbrennen
Gase zuerst zünden/und folglich die stärkste Kompression nach der Verbrennung und vor der Entspannung erfahren, eingespritzt werden.

Zweifellos ist bereits vorgeschlagen worden, Wasser.oder Wasserdampf in Verbrennungsmotoren einzuspritzen, jedoch im allgemeinen geschah dies durch Steuerung des Fahrers - ■ in geringen Mengen und-zu dem Zweck, einen momentanen Gewinn an Erregbarkeit des Motors zu erhalten oder um das detonierende Verbrennen oder "Klopfen" zu'vermiden.

Die Erfindung unterscheidet sich von diesen Mitteln dadurch, daß das Hinzufügen von Wassernebel oder Nebel eines wasserhaltigen Gemischs systematisch' erfolgt und einerseits in Kombination mit einem Überschuß an Verbrennungsmittel bzw. Sauerstoff.und andererseits mit einem Durchsatz vorgesehen - ist, der bis zu einer vorbestimmten^elastungssd]wä.le Null beträgt und der dann mit der Belastung anwächst bis er den Kraftstoffdurchsatz egalisiert oder sogar übersteigt, wobei dien 7.Xi dom p;onau bestimmten und. neuen Zv/eck erfolgt, gleichzeitig die Gesamtheit der verschiedenen schädlichen Abgacstoffe: .Kohlenoxyd, Kohlenwasserstoffe und Stickstoffoxyde mit einem optimalen Wirkungsgrad des verbrauchten Wassers zu beseitigen.

Diese Beseitigung ist erfindungsgemäß umso nützlicher bzw. wirkungsvoller, je stärker die Belastung ist. Das Hinzufügen von Wasser wird bei schwachen Belastungen automatisch unterdrückt, d.h. in dem Moment., wenn das Einspritzen des Wassers oder wasserhaltigen Gemischs nicht mehr sehr nützlich für den Kampf gegen die Verschmutzung bzw. Vergiftung ist und im Gegenteil die Gefahr besteht, daß es-schädlich wirkt, indem sekundäre Effekte wie Kondensation etc. hervorgerufen werden.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung
beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Ansaugrohres,,

in welchem eine Zerstäubung von Wasser oder eines wasserhaltigen Gemische in den Vergaser erfindungsgemäß vorgesehen ist,

Fig. 2 eine Ansicht analog der in Fig.1, wobei die

Wasserzerstäubung auf .Höhe der Kraftstoffversorgung erfolgt,"

Fig. 3 eine Ansicht anaig der in Fig.1, bei der das

Hinzufügen von Wasser oder eines wasserhaltigen . Gemische in einer Versorgungsleitung-für Zusatzluft vorgesehen ist, und

Fig. 4 eine weitere Variante, bei der das Hinzufügen

von Wasser durch direkte mechanische Einspritzung in die Verbrennungskammer erfolgt.

In Fig.1 ist eine Verbrennungsmotor-Ansaugleitung 10, eine Vergaserdrosselklappe 11 und eine Kraftstoff-Einspritzdüse 12 dargestellt, die im Bereich eines Venturihalses 13 in dem Rohr 10 angeordnet und mit einer Kraftstoff-Versorgungsleitung 14 verbunden ist. Der Vergaser wird in der Weise geregelt bzw. eingestellt, daß ein bedeutender Überschuß an Verbrennungsmittel bzw. Sauerstoffträger, außer gegebenenfalls bei Vollast bzw. Vollgas oder bei Langsamfahrt oder
bei bzw. Drosselung, realisiert ist.

Erfindungsgemäß ist eine Hinzufügung von Wasser oder einer wässrigen Mischung bei 15 in der Ansaugleitung 10 stromaufwärts der Drosselklappe 11 und bevorzugt -stromabwärts der
Kraftstoff-Duse vorgesehen.

Es wird "bevorzugt ein wässriges bzw.. wasserhaltiges Gemisch anstatt Wasser benutzt,· in der Weise, daß eine Flüssigkeit erhalten wird, deren Oberflächenspannung in niedlicher Weise bzw. stark herabgesetzt ist und deren Gefriertemperatur ebenso wie deren Rostbildungsvermögen bzw. Korrosionsfähigkeit herabgesetzt sind. Zu diesem Zweck werden dem Wasser organische Verbindungen wie höhere Alkohole, Äthylalkohol, Methanol, lösliche Ither, verschiedene Seifen, Ammoniak /hinzugefügt

Bei dem. in Iig,1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dieses Hinzufügen durch eine Düse -bzw. Einspritzdüse 15? die im Bereich eines Venturihalses 16 in der'Leitung 10 angeordnet und mit einer Leitung 17 zur Zuführung von Wasser oder eines wasserhaltigen Gemischs verbunden ist. Die Düse 15 weist eine Konstruktion analog der Düse 12, beispielsweise mit Voremulsion (preemulsion) auf.

Die Leitung 1? ist mit einer Quelle wie einem Behälter mit konstantem Niveau 18 über einen Hahn 19 verbunden, dessen Öffnung variabel ist und um so größer vorgesehen wird, wie die Belastung stärker ist, in der Weise, daß der Hahn bei starken Belastungen vollständig geöffnet, bei mittleren Belastungen halb geöffnet und bei schwachen Belastungen oder, keiim Belastungen vollständig geschlossen ist.

Zu diesem Zweck kann das Absperrorgan des Hahns 19 durch die Membran 20 einer Manometerkapsel bzw. Druckdose 21 gesteuert, die über eine Leitung 22 mit der Ansaugleitung 10 bei 2J stromabwärts der Drosselklappe 11 verbunden ist. ' ·

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Im Bereich 23 variiert der Unterdruck oder der Grad des Vakuums in der Leitung 10 in Abhängigkeit von der Belastung bzw. der Ladung: Der Unterdruck weist seinen maximalen Wert bei Nullast und seinen minimalen Wert bei Vollast auf. Unter diesen Bedingungen ist die Membran 20, die den Hahn 19 steuert, dem Unterdruck und folglich der Belastung bezw. der Ladung ausgesetzt.

Vorteilhafterweise ist der Behälter 18 mit konstantem Niveau um eine vorbestimmte Höhe unter die Düse 15 versetzt: Auf diese Weise wird eine Unterdruck - und somit Leistungsschwelle erzeugt, diesseits bzw. unterhalb von der der Durchsatz an angesaugtem Wasser Null ist, während jenseits bzw. über dieser Schwelle der Durchsatz eine mit dem Unterdruck oder der Leistung wachsende Punktion wird.

Dank des Hinzufügens von Wasser ist die maximale Temperatur, die in den unmittelbar nach deren Kompression verbrannten Gasen bzw. Abgasen unmittelbar nach d3?en Kompression oder während, deren komplementären Kompression, der sie nach der Verbrennung unterworfen sind, abgesenkt und unter diesen Bedingungen ist die Gleichgewichtskonstante des Massenwirkungsgesetzes so sehr -modifiziert, daß die Gehalte an Stickstoffoxyd beachtlich bzw. stark reduziert sind. Unter diesen Bedingungen gestatten es die erfindungsgemäßen Weiterbildungen, die Bedingungen für den Kampf, gegen die Verschmutzung bzw. Vergiftung beachtlich und auf einfache Weise zu verbessern.

Die in Fig.2 gezeigte Anordnung ist ähnlich der oben in Verbindung mit Pig.1 beschriebenen, außer daß die Wasserversorgungsleitung 17 direkt bei 24 an eine Kreisleitung

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angeschlossen ist, die eine Reihe von im Hals 13 mündenden Öffnungen versorgt. Bei 19 und 20 ist das System zur Regelung des Wasserdurchsatzes in Abhängigkeit von der Belastung bzw. Ladung dargestellt.

Bei der in Pig.3 dargestellten Variante ist die Leitung 17 zur Versorgung mit Wasser bei 25 an ein System zu zusätzlichen Zuführung von Luft angeschlossen, das mit 26-27 bezeichnet und stromabwärts der Drosselklappe 11 angeordnet ist. !Dieses System zur zusätzlichen Zuführung von Luft ist bevorzugt von dem Typ, der in der französischen Patentschrit 1 339 623, der französischen Zusatzpatentschrift; 83 177 und der französischen Patentschrift 1 552 156 beschrieben ist.

Dieses Zusatz-Luft-System gestattet es, gegen die Verschmutzung bzw. Vergiftung anzugehen durch Regelung bzw. Einstellung ' des Brennstoff/Verbrennungsmittel-Verhältnisses und insbesondere durch Regelung eines Überschusses an Verbrennungsmittel bzw. Sauerstoffträger.

Bevorzugt wird der Überschuß an Verbrennungsmittel, insbesondere bei mittleren und schwachen Belastungen auf einen genügend hohen Wert angehoben bzw. auf ehern solchen Wert gehalten, daß der Gehalt an-Sauerstoff der trockenen Abgase in der Größenordnung, von M- bis 8 % oder gar darüber liegt, d.h. auf den festen Wert, der mit der Belastung bzw. Ladung, der regelmäßigen Funktionsweise des Motors und genügend schwachen Anteilen von Kohlenwasserstoffen verträglich ist.

Durch das Hinzufügen von Wasser oder eines wasserhaltigen Gemischs gemäß der Erfindung ist es möglich, bei mittleren und in beachtlicher "Weise bei starken Belastungen (bei

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denen man nur einen geringen Luftüberschuß zuführen kann) den Gehalt an Stickstoffoxyden stärker zu verringern.

Bei einer weiteren Variante (Fig.4) wird das Hinzufügen von Wasser oder eines wasserhaltigen Gemische durch eine mechanische Einspritzeinrichtung ausgeführt, die analog denen ist, die bisher für das Einspritzen von Treibstoff direkt in die Verbrennungskammer 10 benutzt werden.

In Fig.4 ist ein Ansaugventil 28, ein Auslaßventil 29 und eine Zündkerze 30 dargestellt.

Die Wassereinspritzeinrichtung umfaßt hier ausgehend von dem Behälter 18 eine pulsierende mechanische Einspritzpumpe 33, deren Durchsatz abhängig von der Druckdose 20 ist und die zu einer Einspritzdüse 34 gerichtet/Ist, die das so zugeführt Wasser in den Bereich der Verbrennungskammer nahe der Zündkerze 30 zerstäubt.

Der Injektor bzw. die Einspritzdüse 34 führt unter diesen Bedingungen das zerstäubte Wasser in einen Bereich der Verbrennungskammer ein, wo die Gase zuerst in Brand gesetzt, bzw. gezündet werden und wo die Temperatur der verbrannten Gase ihre höchsten Werte in dem Moment erreicht, in welchem der Druck maximal ist.

- Patentansprüche -

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Claims

2 2 3 A 7 6

P a-t ent an sprüe he

1yAbgas-Entgiftungsanlage für Verbrennungsmotoren, bei denen das Verbrennungsmittel bzw» der Sauerstoffträger mit Überschuß vorgesehen ist, dadurch g e k en η zeichnet , daß Wasser oder ein wasserhaltiges Gemisch stromaufwärts der Verbrennungskammern eines Verbrennungsmtors oder in diese zerstäubt wird mit einem Durchsatz, der bei starker Belastung größer als bei schwacher Belastung ist, so daß vor allem bei starken Belastungen der Gehalt an Stickstoffoxyden reduziert wird.
2. Anlage nach Anbruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h net , daß auf die Ladung bzw. Belastung anspre- ' chende Einrichtungen den Durchsatz an Wasser oder des wasserhaltigen Gemischs s> regeln bzw. einstellen, daß der Durchsatz bei starker Belastung einen maximalen Wert, bei mittlerer Belastung einen mittleren Wert und bei schwacher Belastung oder Nullast den Wert Null aufweist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß das Wasser oder das wasserhaltige Gemisch stromaufwärts der Drosselklappe in die dem Vergaser zugeführte Luft^erstäubt wird.
4. Anlage nach Anspruch 1 oder "2, dadurch g e ken η zeichnet, daß das Wasser oder das wasserhaltige Gemisch parallel mit dem Kraftstoff in den Vergaser zerstäubt wird.

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5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet „ daß das Yerbrennungsmittel/ Brennstoff-Verhältnis so eingestellt ist, daß es zu einem Sauerstoff-Überschuß in der Größenordnung von 4- bis 8 % bei mittleren oder schwachen Belastungen führt.
6. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η ζ ei chnet, daß das Wasser oder wasserhaltige Gemisch in eine Einrichtung zerstäubt wird, die das Ansaugrohr stromabwärts der Drosselklappe mit Zusatzluft versorgt, wobei die Einrichtung zur Regelung des Überschusses an Verbrennungsmittel vorgesehen ist.
7« Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Zuführung von Zusatzluft bei mittleren und schwachen Belastungen den Überschuß an Verbrennungsmittel auf einen Wert anhebt bzw. auf einem solchen Wert hält, der genügend hoch ist, so daß der GebiLt an Sauerstoff der trockenen Abgase in der Größenordnung von 4 bis S % beträgt.
8. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,, daß dasWasser oder wasserhaltige Gemisch durch direkte pulsierende Einspritzung in die Verbrennungskammer eingeführt wird.
9. Anlage nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß das Wasser oder wasserhaltige Gemisch in einen Bereich der Verbrennungskammer eingespritzt wird, in welchem die Gase zuerst gezündet werden.

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