DE2344022A1

DE2344022A1 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung des schadstoffgehalts im abgas von verbrennungsmaschinen

Info

Publication number: DE2344022A1
Application number: DE19732344022
Authority: DE
Inventors: Jun William Edward Wollenweber
Original assignee: Wallace Murray Corp
Current assignee: Wallace Murray Corp
Priority date: 1973-08-31
Filing date: 1973-08-31
Publication date: 1975-03-06

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung des Schadstoffgehalts

im Abgas von Verbrennungsmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verminderung des Schadstoffanteils im Abgas von Verbrennungsmaschinen.

Die größeren Automobilhersteller unternehmen große Anstrengungen, den Schadstoffgehalt im Abgas herkömmlicher Benzin-Kolbenmaschinen für Motorfahrzeuge zu vermindern. Bisher wurden Systeme oder Kombinationen von Systemen vorgeschlagen, beispielsweise thermische Reaktoren, katalytische Kohlenwasserstoff/Kohlenmonoxid-ÜEiwandler, katalytische Stickoxid-Umwandler, Abgas-Rezirkulation, Luftinjektion und dergleichen. Da katalytische Umwandler durch gebleite Kraftstoffe vergiftet werden, verspricht die Verwendung thermischer Reaktoren zur Verminderung der Abgasemission den besten Erfolg. In der USA-Patentameldung ITr. 176 468 ist die "Verwendung einer als Turbolader bekannten, abgasgespeisten Einrichtung in Verbindung mit der herkömmlichen Kolbenmaschine beschrieben, wodurch der Schadstoffanteil im Motorenabgas beträcht-

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lieh vermindert wird. Nach der genannten Patentanmeldung ist der mit einem Motor verbundene Turbolader mit einem thermischen Reaktor ausgerüstet, so daß die vom Reaktor abgegebene Energie zum Antrieb der Turbine des Turboladers ausgenutzt werden kann.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verbindung einer Turbolader-Turbine und eines mehrstufigen them ischen Reaktors derart, daß im Reaktor die Gesamt-Oyidationsreaktion durch bessere Vermischung unvollständig oxidierter Kohlenstoffverbindungen verbessert wird (wobei die zur Verfugung stehenden Sauerstoffmoleküle sich leichter mit CH und CO verbinden können und somit eine vollständige chemische Umwandlung in HpO und COp stattfindet). Die Turbolader-Turbine wird durch erhitzte Gase gespeist, die zwischen den Stufen des thermischen Reaktors hindurchtritt. Der Kompressorbauteil des Turboladers lädt die Zylinder der Maschine mit Luft, deren Abgase durch den thermischen Reaktor behandelt werden. Bei der erfindurgsgemäßen Anordnung ist eine vollständigere chemische Reaktion möglich. Gleichzeitig wird dem Reaktionsprozeß Energie entzogen. Die Turbolader-Turbine nutzt die vom Reaktor freigegebene Energie zum Antrieb des Turbolader-Kompressors aus, der seinerseits dem Induktionssystem der Maschine zuzuführende Frischluft komprimiert. Auf diese Weise wird die Energie durch komprimierte Induktionsluft der Maschine wieder zurückgeführt, so daß der thermische Wirkungsgrad des Maschinenzyklus verbessert wird.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführung sbeispiele wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Ee zeigen:

Fig. 1 die schematische Seitenansicht einer 'Benzin-Verbrenaungsmaschine mit einem zweistufigen thermischen Reaktor und einem Turbolader, die gemäß der Erfindung verbunden eind;

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Pig. 2 eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung der Wirkungsweise der ersten Stufe des thermischen Reaktors bei der Aufnahme der Maschinen-Abgase;

Pig. 3 eine seitliche Schnitt__ansicht des thermischen Reaktors der Fig. 2 während der gleichen Arbeitsstufe;

Pig. 4 die schematische perspektivische Ansicht des mehrstufigen Reaktors und des Turbinenbauteils des Turboladers, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und an einem Motor befestigt sind; und

Pig. 5 eine teilweise Draufsicht auf die Anordnung der Pig. 4.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine herkömmliche Benzin-Verbrennungsmaschine 10 mit einem Kopfstück 11 (Pig. 2), Auslaßventilen 12 und Auslaßöffnungen 13· Wie aus Pig. 2 und 3 ersichtlich, ist ein insgesamt zylindrischer thermischer Reaktor 14 vorgesehen, der die Abgase aus den im Zylinderkopf der Maschine vorgesehenen Auslaßöffnungen 13 aufnimmt. Der theimische Reaktor ist vorzugsweise entsprechend der US-PS 3 247 666 aufgebaut. Er besteht im wesentlichen aus einer Kern- oder Mittelkammer, die die Abgase aus den im Kopf vorgesehenen Auslaßöffnungen aufnimmt. Die Gase strömen längs eines gewundenen Weges durch Kammeröffnungen 17, durch Kanäle zwischen einem Mantel 18 und der Kernwand, durch den Kanal zwischen dem Mantel 18 und der isolierten Außenwand 19 und treten durch den Auslaßkanal 21 aus. Der Reaktor 14 bildet die erste Stufe des Systems. Im folgenden wird die in Pig. 1 insgesamt mit 22 bezeichnete zweite Stufe beschrieben. Wegen des zweistufigen Systems ist es möglich, den die erste Stufe bildenden thermischen Reaktor insofern etwas zu vereinfachen, als ein Teil des herkömmlichen gewundenen Weges weggelassen wird.

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Der Vergaser 23 dient zur Zerstäubung des ihm zugeführten Benzins. Er ist mit einem Luftfilter 24 versehen, der über eine Leitung 26 mit Luft gespeist wird. Die Leitung 26 ist andie Auslaßseite einer Kompressorstufe 27 angeschlossen, die einen Teil des vom Abgas gespeisten Turboladers 28 bildet. Die Kompressorstufe 27 ist mit einem Einlaßkanal 29 versehen und der Kompressor wird durch eine Turbinenstufe 31 getrieben, deren Einlaß 32 direkt mit dem Kanal 21 verbunden ist. Nach dem Verlassen der Anfangs-Reaktorstufe 14 expandierendie Gase durch das Rad der Turbinenstufe 31 und werden ins Reaktorgehäuse 41 abgeführt, das die zweite Reaktorstufe bildet.

Der innere Aufbau des thermischen Reaktors ist herkömmlicher Art. Sine ins !einzelne gehende Darstellung erübrigt sich daher. Er hat insgesamt die Form konzentrischer Rohre, durch die die Gase in eine gewundene Bahn gelenkt werden. Hierdurch ergibt sich eine ausreichende Verweilzeit für die weitere Oxidation der unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffe. Der Aufbau der konzentrischen Rohre ist genauer in Pig. 5 gezeigt. Die die Reaktorstufe 41 verlassenden Gase werden über ein Auspuffrohr 42 zu einem nichtgezeigten Auspuff geführt und schließlich in die Atmosphäre ausgestoßen.

Bei der abgewandelten Ausführungsform der Fig. 4 und 5 sind die beiden thermischen Reaktorstufen und die Turbinenstufe des Turboladers in einem gemeinsamen Gehäuse vereinigt. Fig. 4 zeigt schematisch einen Acht-Zylinder-V-Motor mit einem Zylinderkopfstück 51, an den direkt die Anfangsstufe des thermischen Reaktors 52 angeschlossen ist. Der innere Aufbau des Reaktors 52 ist herkömmlicher Art (s. auch Fig. 3)· Er nimmt die Abgase von den Zylindern der Haschine auf. Die Gase bewegen sich längs eines gewundenen Wegs im Reaktor 52 und treten in das Turbinenrad 54 (Fig. 5) ein. Über eine Luft-Injektionspumpe 57 (Fig. 4) wird durch ein Rohr 58 Hilfsluit zugeführt. Die Hilfsluft kann alternativ auch durch innere Kanäle im Zylinderkopf zugeführt werden. Über ein Rohrstück 26 wird auch in den Eintritt zum Turbinenrad Luft injiziert,

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die zur weiteren Oxidation der Gase in der nachfolgenden Reaktorstufe 61 benötigt wird. Dieser einheitliche Aufbau hat den Vorteil, daß die Wärmeverluste der Abgase auf ein Minimum herabgedrückt werden, bevor sie auf das Turbinenrad auftreffen, wodurch der Wärmewirkungsgrad des Systems verbessert wird.

Gemäß Fig. 4 und 5 treiben die Gase bei der Expansion durch das Turbinenrad dieses an, das seinerseits das Rad 59 (Fig. 5) der Kompressorstufe des Turboladers antreibt. Die in den Kompressoreinlaß 62 eingeführte Luft wird komprimiert und über einen Kanl 63 dem Lufteinlaß der Maschine zugeführt.Bs kann ein zweifaches System, je eins für jede Reihe von vier Zylindern der Maschine (Fig. 4) oder bei entsprechender Leitungsführung, ein einfaches System verwendet werden.

Die aus dem Turbinenrad austretenden, die injizierte Luft enthaltenden Gase bewegen sich durch den die zweite Stufe bildenden thermischen Reaktor 61, in dem konzentrische Rohre einen gewundenen Pfad für die Gase vorgeben.Hierdurch ergibt sich die notwendige Verweilzeit zur endgültigen Verbrennung. Die Gase werden dann über ein Rohr 66 einem herkömmlichen Auspuffsystem 67 zugeführt (Pig. 4).

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzen die Vermischung der Gase beim Durchtritt durch die Turbinenstufe -des Turboladers zur Verstärkung oder Verbesserung der Funktion der zweiten Stufe des thermischen Reaktors aus. Die Turbolader-Turbinenstufe nutzt einen Teil der in der ersten Reaktorstufe erzeugten thermischen Energie zur Zufuhr der Luft zur Ladung der Maschine aus, so daß der thermische Wirkungsgrad des gesamten Maschinenzyklus erhöht wird. Durch die vollständigere Umwandlung der Kohlenstoffverbindungen, die aus der Maschine austreten, in unschädliche Stoffe, wird die Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxld-ilmission der Maschine beträchlich verringert.

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Claims

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1./ Verfahren zur Verminderung des Schadstoffanteils und des Anteils unvollständig verbrannter Produkte im Abgas von Verbrennungsmaschinen, dadurch gekennzeichnet , daß die Abgase der Maschine einem thermischen Reaktor zugeführt werden, der wenigstens zwei Stufen aufweist, sowie einem Turbolader zur Ladung der Zylinder der Maschine mit Luft, und daß die Luft über die Turbinenstufe des Turboladers von der ersten Stufe des thermischen Reaktors dessen zweiter Stufe zugeführt wird, um so den die eine Stufe des Reaktors verlassenden Abgasen thermische Energie durch Expansion derselben durch die Turbinenstufe zu entziehen, und durch ihren Durchtritt durch die Turbinenstufe die Vermischung der in die von der Turbinenstufe stromab gelegene Reaktorstuf e eintretenden Abgase zu verbessern.

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2. Vorrichtung zur Verringerung des Schadstoffanteils im Abgas von Verbrennungsmaschinen, gekennzeichnet durch einen mehrstufigen thermischen Reaktor (14, 22) zur Aufnahme der Abgase aus dem Abgassammler der Maschine, wobei jede Stufe die aus der vorangehenden austretenden Gase aufnimmt, und durch einen Turbolader (28) zur ladung der Maschinenzylinder mit Luft, dessen Turbinenstufe (31) zwischen den Stufen (14, 22) des Reaktors angeordnet ist, so daß die aus der einen Reaktorstufe (14) austretenden Gase durch die Turbinenstufe expandieren, bevor sie in die nächste Stufe (22) des Reaktors eintreten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Einrichtungen (57) zur Injektion von Hilfsluft in die Abgase unmittelbar vor deren Eintritt in das Turbinenrad (59) der Turbolader-Turbinenstufe.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Reaktor zwei Stufen (14, 22) enthält, und daß die Turbolader-Turbinenstufe (31) zwischen den beiden Reaktorstufen angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die Reaktorstufen getrennte Gehäuse haben, und daß die Turbolader-Turbinenstufe in der Verbindungsleitung zwischen

den Reaktorgehäusen angeordnet ist.

ORJQSNAL INSPECTED 509810/0571

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet , daß die Reaktorstufen und die Turbolader-Turbinenstufe in einem gemsinsanm Gehäuse angeordnet sind.

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