DE2315634A1

DE2315634A1 - Verfahren zur verminderung der schadstoffemission von verbrennungsmotoren und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2315634A1
Application number: DE2315634A
Authority: DE
Inventors: Hubert Kirchhofer; Josef Perevuznik; Alfred Dipl Ing Wunsch
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1972-11-29
Filing date: 1973-03-29
Publication date: 1974-07-11
Also published as: IT1003250B; JPS50157914A; BE807847A; NL7316249A; GB1455269A; DE2315634B2; CH552135A; NL166310B; DE2315634C3; DK139764C; US3874166A; ATA856273A; JPS5344685B2; FR2215092A5; CA988382A; NL166310C; AT336344B; DK139764B

Description

23Ί5634

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Verfahren zur Verminderung der Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren, deren Verbrennungsluft unter Ausnützung der in den Motorabgasen noch enthaltenen Energie in einer gasdynamischen Druckwellenmaschine verdichtet wird, wobei im Läufer der Druckwellenmaschine an der Trennfront zwischen dem Abgas und der Luft eine primäre Abgasrückführung in die Luft stattfindet, ferner betrifft sie eine Einrichtung zur· Durchführung dieses Verfahrens.

Vom gesamtwirtschaftlichen Standpunkt aus betrachtet, bietet sich heute noch keine echte Alternative zum Fahrzeugdieselmotor an. Soll der Dieselmotor auch in Zukunft sein Leistungsziel erfüllen, nämlich Leistungssteigerung bei möglichst geringem Ge-

409828/0635

162/72

wicht / PS und niedrigem spezifischen Kraftstoffverbrauch, dann muss dem Abgasverhalten des Dieselmotors wegen der weltweiten" Aktualität der Umweltverschmutzung ganz besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Es ist bekannt, dass die Rückführung von Abgasen in die Verbrennungsluft eines Verbrennungsmotors die Schadstoffemissionswerte von Stickoxiden und Kohlenwasserstoffen herabsetzt. Bei dieser Rückführung, die sich beim Dieselmotor zur Reduzierungder Stickoxidemission als besonders wirksam erwiesen hat, wird Abgas in die Ansaugluft, beim aufgeladenen Motor in die Ladeluft zurückgeführt.

Die Abgasrückführung vermindert den Sauerstoffgehalt der Verbrennungsluft und damit den effektiven Luftüberschuss der JPrischgase. Es wird also über die Op-Konzentration der Zylindsrfüllung in die Reaktionskinetik der Verbrennung eingegriffen, wodurch der Verbrennungsablauf und die Abgaszusammensetzung beeinflusst werden. Verringerung der Op-Konzentration durch Abgasrückführung bedeutet langsamere Verbrennung, unter Umständen sogar bei gleichzeitiger Senkung der Verbrennnungshöchsttemperatur, von der die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Bildung von Stickoxid wesentlich abhängt. Deshalb ist die Absenkung der Verbrennungshöchsttemperatur die zweckmässigste

409828/0635

162/72

231S634

Kassnahme zur Verminderung der Stickoxide in den Abgasen. Aus dem gleichen Grunde ist bezüglich der Stickoxidemission die Rückführung gekühlter Abgase wirkungsvoller.

Ein anderer, sehr wichtiger Aspekt der Abgasrückführung ist die Verringerung des ZündVerzuges, worunter die Zeit vom Beginn der Einspritzung des Kraftstoffes bis zum Beginn der Verbrennung verstanden wird. Sie ist eine Folge der aus der höheren Frischgaseintrittstemperatur sich ergebenden höheren Yerdichtungsendtemperatur. Neben anderen Vorteilen, z.B. der Verminderung der Zündgeräusche, resultiert aus der Verkleinerung des Zündverzuges eine Verbesserung der Verbrennung, was wiederum die Schadstoffemission herabsetzt.

Beim Dieselmotor steigt mit abnehmender Last der Luftüberschuss wegen der Lastregelung über den Gemischheizwert. Bei kleinen Lasten kann daher mehr Abgas rückgeführt werden, ohne dass sofort Luftmangel auftritt, weil dort der Verbrennungsluftüberschuss sehr gross ist. Im niederen und mittleren Teillastgebiet kann also die Stickoxidemission mittels Abgasrückführung in die Frischluft besonders wirkungsvoll reduziert werden. Im VoIl-

409828/0635

162/72

lastbereich dagegen würde eine starke Rückführung von Abgasen die erreichbare Leistung des Motors herabsetzen. Aber nicht nur von der Motorseite her betrachtet, sondern auch von den gesetzlichen Bmissionsbestimmungen, welche den praktischen Fährbetrieb berücksichtigen, ist es erwünscht, bei Teillast mehr Abgas zurückzuführen als bei Vollast. Die optimal rückzuführende Abgasmenge ist.also nicht konstant; sie hängt vom Betriebspunkt des Motors ab, der gefahren werden soll.

Die gasdynamische' Druckwellenmaschine eignet sich bestens für die Aufladung von Verbrennungsmotoren, ganz besonders von Fahrzeugdieselmotoren, bei denen kurze Ansprechzeiten des Aufladegeräts und hohe Aufladung im unteren und im mittleren Drehzahlbereich erwünscht sind. Da hierbei in der Druckwellenmaschine Abgas und Frischluft in direktem Kontakt stehen, tritt an der !rennfront zwischen diesen beiden Gasen eine gewisse Vermischung ein.

Bei Vollast lässt sich das Uebertreten von Abgas in die Luft, im weiteren primäre Abgasrückführung genannt,, weitgehend vermeiden, indem man bei der Auslegung der Druckwellenmaschine die Trennfront Abgas - Luft nicht bis an die Hochdruckluft-Austrittsöffnung herankommen lässt. Sine Pufferzone aus Luft verhindert dann den übertritt des Abgases in die Verbrennungs-

de-¹
luft. Ausserdem wird der Mierdruckteil bei Vollast stark über-"

409 8 28/06.35

162/72

"⁵" 231b63A

spült, d.h. die Druckwellenmaschine saugt mehr Luft an, als sie verdichtet und auf der Hochdruckseite an den Motor abgibt. Diese zusätzliche Spülluft wird zum Ausschwemmen der Mischzone benutzt. 3s gelingt aber keineswegs, diese Ueberspülung der Druckwellenmaschine auch bei Betriebspunkten im Teillastgebiet des Motors aufrechtzuerhalten. Sie nimmt mit fallender Last des Kotors immer mehr ab und verwandelt sich sehlies such in eine Unterspülung bei tiefen Teillasten, d.h. von der Druckwellenmaschine wird weniger Prischluft angesaugt, als an den aufzuladenden Motor verdichtetes Gas abgegeben wird.

Die gegebenen Eigenschaften der Druckwellenmaschine entsprechen also bereits den Anforderungen, die an eine Abgasrückführung bei Verbrennungsmotoren zum Zwecke einer Verminderung der Schadstoffemission gestellt werden, indem die Abgasrückführung mit fallender Last des Motors zunimmt. Sie genügt bereits für gewisse Motoren, welche, um die Forderungen des California 13-Stufen - Zyklus erfüllen zu können, eine Abgasrückführung bloss bei Teillast verlangen.

Bei der üblichen Auslegung der Druckwellenmaschine für Aufladezwecke wird also die Abgasqualität des Motors bei Vollast kaum beeinflusst, da dort praktisch kein Abgas rückgeführt wird. Es ist wohl möglich, die Abgasrückführung im ganzen Betriebsbereich der Druckwellenmaschine anzuheben, die Beeinflussung von Teilbereichen ist aber schwierig. Verstärkt man die Abgasrück-

409828/0635

162/72

" ⁶ " 231b634

führung bei Vollast„ dann beginnt der Motor bei abnehmender Last schon bald zu "rauchen" und es besteht Gefahr, dass er im untersten Lastbereich zuviel Abgas bekommt und abstirbt. Eine Rückführung sehr heissen Abgases direkt in die Verbrennungsluft bei Vollast wäre auch weniger wirkungsvoll, denn heisses Abgas reduziert bekanntlich die Schadstoffanteile nicht so stark. Heisses Abgas in der Verbrennungsluft würde ferner wegen der Verminderung des Verbrennungsluft-Verhältnisses eine Leistungsreduktion des Motors erfordern. ° .

Der 3_rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem durch eine gasdynamische Druckwellenmaschine aufgeladenen Verbrennungsmotor kleinere Schadstoffemissionswerte insbesondere iia Vollastbereich zu erzielen, die unter jenen liegen, die sich durch die primäre Abgasrückführung in der Druckwellenmaschine ergeben, ohne dadurch den Motorbetrieb zu stören und möglichst ohne dabei eine Einbusse an Leistung hinnehmen zu müssen.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass die primäre Abgasrückführung, die bei Vollast am kleinsten ist und mit abnehmender Last stark ansteigt, durch eine sekundäre Abgasrückführung unter .Vergrösserung bei Vollast über den ganzen Lastbereich vergleichmässigt wird, indem Abgas direkt in den Druckwellenprozess eingeführt wird an mindestens einer Stelle, an der die Zellen des Läufers mit Luft gefüllt sind.

409828/0635

162/72

"⁷" 231b634

Eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch mindestens einen Ueberströmkanai für die sekundäre Abgasrückführung von einem nit Abgas gefüllten Raum zu einer gegen die Zellen gerichteten Oeffnung in einem Seitenteil der Druckwellenmaschine.

Eine Verbesserung lässt sich dabei erzielen durch eine Kühlvorrichtung im Ueberströmkanal für die sekundäre Abgasrückführung.

3ei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient eine Rückströmleitung als Ueberströmkanal, deren Einströmöffnung, in Drehrichtung des Läufers gesehen, innerhalb der ersten Hälfte, vorzugsweise unmittelbar nach der Oeffrtungskante der Niederdruckgas-Austrittsöffnung liegt, und deren Ausströmöffnung innerhalb der zweiten Hälfte, vorzugsweise unmittelbar vor der Schliesskante der liiederdruckluft-Eintrittsöffnung liegt.

Bine andere Ausführung verwendet eine Eückströinleitung als Ueberströmkanal, die von der Hochdruckgas—Zuführung abzweigt und, in Drehrichtung des Läufers gesehen, im Steg vor der Hochdruckluft-Austritt soff nung ausmündet.

i/eist die Druckwellenmaschine eine Xompressionstasche auf, dann ist eine Anordnung zweckmässig mit einer Rückströmleitung als Ueberströmkanal, die von der Hochdruckgas-Zuführung abzweigt und in der liompressionstasche ausmündet.

409828/063B

■ · ι.»»

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit ergibt sich durch eine Verbindungsleitung als Ueberströmkanal, die von der Hochdruckgas-Zuführung abzweigt und - in Drehrichtung des Läufers gesehen - im Steg vor der Hochdruckgas-Eintrittsöffnung ausmündet.

Eine Verbesserung wird dabei- erreicht durch mindestens eine Düse als Ausmündung der Verbindungsleitung.

Eine leichtere Anpassung solcher Einrichtungen an den jeweiligen Motor ergibt sich durch eine Drosselvorrichtung im Ueberströmkanal für die sekundäre Abgasrückführung, was noch verbessert werden kann, wenn der Durchtrittsquerschnitt der Drosselvorrichtung einstellbar ist»

Das beschriebene Verfahren ermöglicht es, durch Beeinflussung des Druckwellenprozesses die Charakteristik der primären Abgasrückführung in einer gasdynamischen Druckwellenmaschine mit Hilfe einer sekundären Abgasrückführung so zu verändern, dass sie in allen Betriebspunkten des Motors annähernd optimal ist. Vergleichbare Verfahren, die mit Abgasturboladern arbeiten, benötigen dazu eine eigene Regelung.

409828/Q63S

162/72

Rüekgeführtes und in besonderem Kasse gekühltes Abgas ist vor allem dort wirksam, wo es im Betriebsfeld des Verbrennungsmotors zur Herabsetzung der starken Schadstoffemission am nötigsten gebraucht wird, nämlich bei hohen Lasten und bei hohen Drehzahlen. Die Kühlung des rückgeführten Abgases verbessert in den Betriebsbereichen des Motors mit der grösäten Schadstoffemission die Reduktion der Schadstoffe und verringert die nötige Leistungsminderung des Motors, die durch Abnahme .der Verbrennungsluftdichte verursacht wird, aber durch ausreichende Kühlung herabgesetzt werden kann.

Solcherart ist bei der Aufladung eines Motors mittels einer Druckwellenmaschine die Verbesserung der Abgasqualität durch Abgasrückführung in die zu verdichtende Verbrennungsluft.auf einfache Weise möglich.

Das beschriebene Verfahren ist vergleichbaren, mit- Abgasturboladern arbeitenden Verfahren auch dadurch Überlegen, dass die gasdynamische Druckwellenmaschine, die ja schon in ihrer bekannten Ausführung eine beträchtliche· Abgasrückführung aufweist, in ihrem Betriebsverhalten weitgehend unempfindlich gegen Verschmutzung ist. Die mit dem sekundär rückgeführten Abgas in die Druckwellenmaschine eingebrachte Bussmenge geeinträchtigt daher deren Betriebsverhalten nicht, während bei einem Turbo-

409828/0635

L62/72

verdichter mit sehr schwerwiegenden Folgen zu rechnen ist. Der Betrieb eines Turboverdichters über längere Zeit unter Zuleitung von feststoffhaltigen Abgasen auf der Saugseite ist praktisch unmöglich. Die Verschmutzungsprobleme bleiben bei dem beschriebenen Verfahren auf den Kühler beschränkt, der jedoch so ausgebildet werden kann, dass eine periodische Reinigung leicht ausführbar ist.

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es bedeuten?

Fig.l eine gasdynamische Druckwellenmaschine im Längsschnitt;

Fig.2 einen Seitenteil des Gehäuses nach Schnitt II - II in. Fig.l;

Fig.3 den anderen Seitenteil des Gehäuses nach Schnitt III - III in Fig.l; ·

Fig. 4 einen Querschnitt des lauf ©rs n&dh Sehnitt IV - IW in Fig.l;

Fig. 5 einen Teil einer Abwicklung ©ines Zylinderschnittes in " halber Höhe der Zellen durch d©xi !Läufer ■ und durch die be-

409828/083

162/72

nachbarten Partien der Seitenteile des Gehäuses mit einer erfindungsgemässen Abgasrückführung;

Fig.6 ein Schaubild 2ur Darstellung der durch die Erfindung sich ergebenden Wirkung;

Fig.7 und 6 Alternativausführungen zu Fig.5.

In allen Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen den bekannten Aufbau einer gasdynamischen Druckwellenmaschine. Der Läufer 1 dreht sich zwischen feststehenden Seitenteilen des Gehäuses, nämlich dem Luftgehäuse 2 und dem Gasgehäuse 3» die durch den Gehäusemittelteil H verbunden sind, welcher den Läufer mantelartig umgibt. Das energiereiche Hochdruckgas, hier das Abgas eines Verbrennungsmotors, strömt bei 5 dem Gasgehäuse 3 zu und durch die Eintrittsöffnungen 9 in den Läufer 1, wo es einen Teil seiner Energie im Druckwellenprozess an die Luft abgibt. Es tritt aus dem Läufer als Niederdruckgas durch die Austrittsöffnungen IO im Gasgehäuse 3

40982 8/0635

- 162/72

wieder aus und strömt bei 6 vom Gasgehäuse· ab, z.B.· zum Auspuff hin. Luft bei normalerweise Atmosphärendruck, kurz Niederdruckluft genannt, strömt bei 7 dem Luftgehäuse 2 zu und durch die Eintrittsöffnungen 11 in den Läufer, wo sie verdichtet wird. Sie tritt aus dem Läufer als Hochdruckluft durch die Austrittsöffnungen 12 im Luftgehäuse 2 wieder aus und strömt vom Luftgehäuse ab, was aus diesen Figuren nicht ersichtlich ist, weil im vorliegenden Fall die Abströmung senkrecht zur Zeichenebene erfolgt.

In der Stirnseite des Luftgehäuses 2 kann.vor der Hochdruckluft-Austritt söffnung 12, in Drehrichtung des Läufers gesehen, eine Kompressionstasche 13 vorgesehen sein, die bekanntlich zur Vorverdichtung der Luft dient.

Der Läufer 1 ist im Luftgehäuse 2 fliegend gelagert, wird bei 8 angetrieben und besteht in jenem Teil, in welchem der Druckwellenprozess abläuft, aus der Nabe 14 und dem Deckband 15, zwischen denen sich radial die Zellenwände 16 erstrecken, welche die nach den Stirnseiten des Luftgehäuses und des G-asge-

häuses offenen Zellen(begrenzen. Wie aus dem Vorhandensein von je zwei Ein- und Austrittsöffnungen im Luft- und im Gasgehäuse gemäss Fig.2 und 3 hervorgeht, durchläuft der Läufer den gasdynamisehen Zyklus zweimal pro Umdrehung.

In Fig.5 ist eine Abwicklung ungefähr des halben Läufers und

409828/0635

162/72

der benachbarten Partien der Seitenteile des Gehäuses dargestellt. Das bei 5 zuströmende Hochdruckgas füllt nur teilweise die Zellen 17, deren Bewegungsrichtung durch den Pfeil 20 angedeutet ist, da auch ein Restder Luft in den Zellen verbleibt. Die schraffierte Fläche 21 ist der mit Motorabgas gefüllte Raum, die ideale Trennfront zwischen Abgas und Luft ist mit 22 bezeichnet. .18 ist die Hochdruckluft-Abströmung. Der im Läufer sich abspielende Druckwellenprozess ist durch die Portschreitlinien 23 der Druckwellen versinnbildlicht.

Die in Fig.5 dargestellten Verhältnisse gelten bei Vollast des A'^otors. Wenn die Mischzone von Gas und Luft, die sich in der Praxis einstellt, durch eine genügend breite Luftpufferzone von der Hochdruckluft-Austrittsöffnung 12 getrennt wird, ist das Austreten von Abgas mit der verdichteten Luft nicht möglich. Die mit Gas durchsetzte Pufferzone wird im Niederdruckteil vollends ausgespült, so dass Verunreinigungen auch beim nachfolgenden Zyklus nicht in die Ladeluft des Motors gelangen können. Es ist ersichtlich, dass die Trennfront 22 weit vor dem Erreichen des Endes der Niederdruckgas-Austrittsöffnung 10 die Zellen des Läufers verlässt. Danach werden die Zellen nur mit Frischluft durchgespült. Diese Auslegung der Druckwellenmaschine ist erforderlich, um bei tiefer Teillast des Motors keine zu starke Unterspülung zu erhalten. Bei einer Üeberspülung von 30 56 bei Vollast ist bei Leerlauf die Unterspülung von der glei-

40982870635

162/72

chen Grössenordnung. Da gegen die Teillasten hin die Druckunterschiede zwischen Niederdruckluft und Niederdruckgas sehr gering werden und dementsprechend die Druckwellenwirkung in Niederdruckteil sehr schwach wird, verlässt bei tiefen Teillasten die Trennfront 22 den Läufer 1 nicht vor dem Ende der Niederdruckgas-Aüstrittsöffnung 10. Der Anteil der im ganzen lastbe*· reich primär zurückgeführten Abgasmenge liegt mit der Wahl eines Punktes fest. Wird die Auslegung so getroffen, dass bei Vollast 5 *- 10 Volumenprozente Abgas rückgeführt werden, dann kann die rückgeführte Menge bei Leerlauf so gross werden, dass der Motor nicht mehr stabil lauft*

Pig. 6 zeigt beispielsweise in Kurve A die mit einer Druckwellenmaschine üblicher Bauart primär zurückgeführte Abgasmenge bei Nenndrehzahl des Motors, aufgetragen als Rezirkulationsgrad R in Volumenprozenten über dem mittleren effektiven Kolbendruck ρ , wobei 100 # ρ dem Kolbendruck bei Vollast entsprechen. Dieser Figur ist zu entnehmen, dass die zurückgeführte Abgasmenge -bei Vollast sehr klein ist, mit abnehmender Teillast aber - entsprechend abnehmendem ρ - stark ansteigt» Erwünscht und daher anzustreben ist jedoch eine flachere ReZirkulations-Charakteristik: Die in der Druckwellenmaschine zurückgeführte Abgasmenge soll bei Vollast des Motors bis zu 10 VoIu-men-prozent betragen, bei den tiefen Teillasten hingegen soll sie nicht grosser sein als bei einer Maschine der üblichen Bauart *

409828/0635

162/72

Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein. Durch einen Ueberströmkanal, welcher einen mit Motorabgasen gefüllten Raum mit einer gegen die Zellen gerichteten Öffnung in einem der beiden Seitenteile der Druckwellenmaschine verbindet, wird eine sekundäre Abgasmenge direkt in den Druckwellenprozess eingeführt, was an einer Stelle e^rfolgen muss, an der die Zellendes Läufers mit Luft gefüllt sind.

Gemäss Fig.5 dient die Rückströmleitung 24 als Ueberströmkanal. Sie beginnt in der Niederdruckgas-Austrittsöffnung 10, in Drehrichtung des Läufers gesehen, unmittelbar nach deren Oeffnungskahte 27, ihre Einströmöffnung 25 ist gegen die Zellen des Läufers gerichtet und sie mündet in der Niederdruckluft-Eintrittsöffnung 11 unmittelbar vor deren Schliesskante 28 aus, wobei die Ausströmöffnung 26 der Rückströmleitung ebenfalls gegen die Zellen ge-richtet ist. An einem beliebigen Punkte der Rückströmleitung 24 ist das Drosselventil 29 und davor, in Durchströmrichtung gesehen, der Abgaskühler 30 angeordnet.

Sobald die Zellen das Ende der Niederdruckgas-Austrittsöffnung 10 erreichen, ist der Spülvorgang beendet. Das aus der Rückströmleitung 24 in den Läufer einströmende Gas hat keine Gelegenheit, gleich wieder durch die Austrittsöffnung 10 auszuströmen, sondern nimmt am nächsten Druckwellenzyklus teil, durch den es zusammen mit der durch die Niederdruckluft-Eintrittsöff-

409828/0635

162/72

nung 11 einströmenden Luft verdichtet, durch die nächste Eochdruckluft-Austrittsöffnung 12 ausgeschoben und dem Motor zugeführt wird.

Durch diese sekundäre Abgasrückführung wird nicht die primäre Abgasrückführung bloss überlagert, sondern es wird der gesamte Druckwellenprozess derart beeinflusst und verändert, dass die Summe aus primär und sekundär zurückgeführter Abgasmenge der Kurve B in Fig.6 entspricht. Der -Rezirkulationsgrad kann bei Vollast bis auf 10 Volumenprozente angehoben werden, ohne eine entsprechende Erhöhung auch bei Teillast zu verursachen. Die Kurve B ist gegenüber der Kurve A über den ganzen Lastbereich vergleichmässigt und weist nach diesem Beispiel bei den tiefen !Teillasten sogar kleinere Werte auf als gemäss Kurve A die primäre Abgasrückführung allein.

Der Verlauf der Kurve B unterliegt naturgemäss gewissen Schwankungen, je nachdem, an welcher Stelle das sekundär zurückgeführte Abgas in den Druckwellenprozess eingeführt wird (siehe dazu die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele) und wie der Prozess ausgelegt ist. Bedingung ist aber, dass die Einführung des Abgases an einer Stelle eerfolgt, an der die Zellen des Läufers mit Luft gefüllt sind. Beispielsweise kann auch die Ausführung nach Fig.5 derart variiert werden, dass die Einströmöffnung 25 der Rückströmleitung 24 innerhalb der ersten Hälfte der Niederdruckgas-Austrittsöffnung 10 und die

409828/0635

162/72

Ausströmöffnung 26 innerhalb der zweiten Hälfte der Niederdruckluft-Einströmöffnung 11 liegt.

Die Dimensionierung der Rückströmleitung 24 hängt vom gewünschten Rezirkulationsgrad ab, wobei selbstverständlich auch das vorhandene Druckgefälle zu berücksichtigen ist. Eine Vereinfachung wird dabei durch die Anordnung einer Drosselvorrichtung erreicht,"um nicht' in jedem Einzelfall das Rohrkaliber anpassen zu müssen. Ein einstellbarer Durchtrittsquerschnitt der Drosselvorrichtung ermöglicht eine bessere Optimierung und erleichtert die Peinanpassung der sekundär zurückgeführten Abgasmenge. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Durchtrittsquerschnitt z.B. in Abhängigkeit vom Betriebspunkt zu regeln, wodurch die Kurve B der ?ig.6 noch mehr vergleichmässigt werden könnte, wenn dies erwünscht ist.

Im Abgaskühler 30 wird das rückgeführte Abgas gekühlt, bevor es dem Druckwellenprozess zugeleitet wird. Dadurch wird übergrosser Dichteverlust der verdichteten Luft wegen Aufwärmung der angesaugten Niederdruckluft vermieden und es kann die Menge dieses sekundär rückgeführten Abgases beeinflusst werden. Durch die Kühlung des rückgeführten Abgases-wird aber auch die Emission der Stickoxide weiter vermindert, wie oben schon erwähnt wurde. Der Abgaskühler 30 kann jedoch nicht die von der Abgasturboaufladung bekannte Kühlung der gesamten Hochdruckluft

409828/0635

- 3-8 -

162/72

am Wege zum Motor ersetzen, die bei Aufladung mit einer Druckwellenmaschine besonders wirksam ist.

Ein Beispiel mit Rückführung von Hochdruckgas ist in Fig.7 dargestellt. Von der Zuführung 32 wird vom Motor kommendes Abgas abgezweigt und über die Rückströmleitung 31 zum Luftgehäuse 2 geführt. Die Rückströmleitung mündet in die Kompressionstasche 13 aus, von wo das Abgas in den Druckwellenprozess eingeführt wird. Die K₀mpressionstasche ist, in Drehrichtung des Läufers gesehen, in den Steg 33 vor der Hochdruckluft-Austrittsöffnung 12 eingearbeitet. Als Drosselvorrichtung dient die auswechselbare Blende 34, die in die Rückströmleitung an deren Abzweigung von der Zuführung 32 eingesetzt ist.

Die Wirkung der Kompressionstasche ist bekanntlich drehzahlabhängig. Bei hohen Drehzahlen übt die Tasche keinen Einfluss auf den Druckwellenprozess aus, bei tiefen Drehzahlen aber bewirkt sie eine Vorverdichtung der angesaugten Frischluft. Im ganzen Drehzahlbereich sind jedoch die Druckverhältnisse derart, dass bei Vollast das Druckgefälle von der Hochdruckgas-Zuführung 32 zur Kompressionstasche grosser ist als bei Teillast, so dass bei Vollast eine entsprechend grössere Abgasmenge zurückgeführt wird.

Auch wenn keine Kompressionstasche vorhanden ist, lässt sich eine gleiche Ausführung verwirklichen. Die Rückströmleitung 31

AO9828/0635

162/72

mündet dann im Steg 33 mit gegen die Zellen des Läufers gerichteter Oeffnung aus.

Die Kurven des in beiden Fällen aus primärer und sekundärer Abgasrückführung sich ergebenden Rezirkulationsgrades sind ähnlich wie die Kurve B in Fig.6.

Ein Beispiel von Hochdruckgas-Rückführung mit Einströmung auf der Gasseite zeigt die Fig.8. Die innerhalb des Gasgehäuses 3 verlaufende Verbindungsleitung 35 zweigt von der Hochdruckgas-Zuführung 32 ab und mündet, in Drehrichtung des Läufers gesehen, vor der Hochdruckgas-Eintrittsöffnung 9 im Steg 36 aus, an einer Stelle also, an der ebenfalls die Zellen" des Läufers mit Luft gefüllt sind. Durch diese Voreinströmung wird nicht nur der Druckwellenprozess beeinflusst, sondern gleichzeitig auch die Nischzone mehr gegen die Luftseite verschoben. Das bewirkt, dass vor allem bei Vollast und speziell bei hohen Drehzahlen ein Teil der Mischzone sich mit der verdichteten Luft in die Hochdruckluft-Austrittsöffnung 12 entleert. Die Wirkung kann noch verstärkt werden, wenn an der Ausmündung der Verbindungsleitung 35 die Düse 37 vorgesehen ist, die auch die Drosselvorrichtung ersetzt.

Diese Ausführung ist sehr vorteilhaft, weil keine aussenliegenden Leitungen notwendig sind. Die Anbringung eines Kuhlers wäre naturgemäss schwierig, so dass eine Kühlung des rückgeführten

409828/0635

162/72 - 20 -

Abgases zusammen mit der verdichteten Luft am Wege zum Motor zweekmässiger ist. "-. .

Bei allen Ausführungsbeispieln ist der Ueberströmkanal so angeordnet, dass eine Druckdifferenz von der Einström- zur Ausströmöffnung vorhanden ist. Prinzipiell ist auch die Einschaltung einer Fördervorrichtung möglich, um bei kleiner Druckdifferenz die Strömungsgeschwindigkeit des rückzuführenden Abgases zu erhöhen oder sogar eine negative Druckdifferenz zu überwinden, was aber die gesamte Einrichtung komplizierter macht und ausserdem zusätzliche Energie benötigtY

Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass jeweils mehrere Ueberströmkanäle parallel oder für jeden Druckwellenzyklus je einer oder mehrere vorgesehen sind, ferner können auch die verschiedenen Ausführungsmöglichkeiten kombiniert werden.

Es soll noch vermerkt werden, dass das beschriebene Verfahren zur Verminderung der Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren gleicherweise für Diesel- und Ottomotoren anwendbar ist.

4098 2 8/06 3 5

Claims

162/72

Patentansprüche

1. Verfahren zur Verminderung der Schadstoffemission von Verbrennungsmotoren, deren Verbrennungsluft unter Ausnützung der in den Motorabgasen noch enthaltenen Energie in einer gasdynamischen Druckwellenmaschine verdichtet wird, wobei im Läufer der Druckwellenmaschine an der Trennfront zwischen dem Abgas und der Luft eine primäre Abgasrückführung in die Luft stattfindet, dadurch gekennzeichnet, dass die primäre Abgasrückführung, die bei Vollast am kleinsten ist und mit abnehmender Last stark ansteigt, durch eine sekundäre Abgasrückführung unter Vergrösserung bei Vollast Über den ganzen Lastbereich vergleichmäs- · sigt wird, indem Abgas direkt in den Druckwellenprozess eingeführt wird an mindestens einer Stelle, an der die Zellen des Läufers mit Luft gefüllt sind.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen Ueberströmkanal für die sekundäre Abgasrückführung von einem mit Abgas gefüllten Raum (21, 32) zu einer gegen die Zellen (17) gerichteten Oeffnung (11, 13, 26, 37) in einem Seitenteil (2, 3) der Druckwellenmaschine.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung (30) im Ueberströmkanal für die sekundäre Abgasrückführung.

409828/0636

162/72

- 22- -

^. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Rückströmleitung (2¹I) als Überströmkanal, deren Einströmöffnung (25)a in Drehrichtung des Läufers (1) gesehen, innerhalb der ersten Hälfte, vorzugsweise unmittelbar nach der Oeffnungskante (27) der Niederdruckgas-Austrittsöffnung (10) liegt, und deren Ausströmöffnung (26) innerhalb der zweiten Hälfte, vorzugsweise unmittelbar vor der Schliesskante (28) der Niederdruckluft-Eintrittsöffnung (11) liegt. (Fig.5).

5. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Ruckströraleitung (3D als UeberstrÖmkanal, die von der Hochdruckgas-Zuführung (32) abzweigt und, in'Drehrichtung des Läufers (1) gesehen, im Steg (33) vor der Hochdruckluft-Austrittsöffnung (12.) ausmündet.

6. Einrichtung nach Anspruch 2 für- eine Druckwellenmaschine mit einer Kompressionstasche, gekennzeichnet durch eine Rückströmleitung (31) als UeberstrÖmkanal, die von der Hochdruckgas-Zuführung (32) abzweigt und in der Kompressionstasche (13) ausmündet (Fig.7). ~

7. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Verbindungsleitung (35) als UeberstrÖmkanal, die von der Hochdruckgas-Zuführung (32) abzweigt und, in Drehrichtung des Läufers (1) gesehen, im Steg (36) vor der Höchdruckgas-Eintrittsöffnung (9) ausmündet.

4098 28/063 5

162/72

8. Einrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch mindestens eine Düse (37) als Ausmundung der Verbindungsleitung (35) (Fig.8).

9. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Drosselvorrichtung (29,3¹O im Ueberströmkanal für die sekundäre Abgasrückführung.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchtrittsquerschnitt der Drosselvorrichtung (29, einstellbar ist.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

409828/0635