DE2434393C3 - Abgassystem für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine mit Hauptbrennräumen und Hilfsbrennräumen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für eine 'Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und mehreren Zylindern, die jeweils einen Häüptbrehnraum söwic* einen damit über einen Flammkanal verbundenen Hilfsbrennraum timfassen, mit ventilgesteuerten HaüplzufühnirigskanHIen für mageres Kraftstoff-Ltiftgcinisch in die H.iiipibrcnnräumc, mit ventilge* steuerten Hilfszuführünj^kanälen für fettes Kräftstaff-Luftgemisch in die Hilfsbrennräume und mit jeweils einem an den Hauptbrennraum angeschlossenen ventilgesteuerten Auslaßkanal, wobei die Auslaßkanäle letztlich in eine Auspuffleitung münden. j Beim Betrieb einer derartigen Brennkraftmaschine zündet die im Hilfsbrennraum angeordnete Zündkerze das relativ fette Kraftstoff-Luftgemisch, wodurch eine Flamme strahlartig durch den Flummkanal in den Hauptbrennraum geleitet wird und dort das

in relativ magere Gemische zündet. Die Erfindung befaßt sich nun mit der Verringerung schädlicher Bestandteile in den Abgasen einer derartigen Brennkraftmaschine.

Bisher übliche Abgasreinigungsvorrichtungen ar-

. j beiten mit einer Luftpumpe, die Sekundärluft zuführt, um die Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyd in einer Abgasreaktionskammer zu vervollständigen. Die Luftpumpe ist kostspielig, und die Temperatur der Abgase wird durch die Sekundären luft verringert, wodurch beim Kaltstart eine beachtliche Zeitverzögerung entsteht, bis die Temperatur innerhalb der Reaktionskammer einen für den Ablauf der Nachverbrennungsreaktion ausreichend hohen Wert erreicht. Wenn eine kleinere Abgasreaktions-

>> kammer vorgesehen wird, umd diese Aufheizzeit zu verkürzen, so hat die Kammer, wrnn die Maschine unter hoher Belastung gefahren wird, eine unzureichende Kapazität, um eine mindestens nötige Verweilzeit der Abgase zu gewährleisten.

jo Bei einem Abgassystem der eingangs genannten Gattung, das durch die DE-OS 2.25V 764 bekannt ist, befindet sich in den Abgasen infolge des Betriebs der Brennkraftmaschine mit einem insgesamt mageren Kraftstoff-Luftgemisch heiße überschüssige Luft, die

υ vorteilhaft zur Abgasnachverbrennung ausgenutzt werden kann.

Durch die DE-OS 2 020 154 ist bereits eint Abgasreaktionskammer für Brennkraftmaschinen bekannt, die länglich ausgebildet ist und !.' die die heißen Abgase auf einer Längsseite eingeleitet werden, während sie an einer Stirnseite austreten. Die Abgase werden dabei so in die Reaktionskammer eingeleitet, daß sie auf die dem Austritt gegenüberliegende Stirnseite geleitet werden, um eine möglichst lange Verweilzeit in

4; der Reaktionvkammer zu gewährleisten. Hierbei ist jedoch die Oxydationsreaktion der Abgase noch unzureichend, da die Durchmischung der Abgase in der Reaktionskammer mangelhaft ist.

Durch die AT-PS 25.1873 ist es bekannt, die Ab-

')<> gase durch mehrere parallel angeordnete Vorschaltreaktionskammern in eine Hauptreaktionskammer einzuleiten, wobei sie in der Hauptreaktionskammer gleichfalls auf eine Stirnseite gelenkt werden, die der mit einem Abgasaustritt versehenen anderen Stirn-

)■> seite gegenüberliegt. Hier ist zwar eine Verbesserung der Oxydationsreaktion infolge der zusätzlichen Reaktion in den Vorschaltreaktionskammern festzustellen, jedoch ist auch dabei die Vermischung der Abgase noch mangelhaft.

_hn Aus der US-PS 3413 «03 ist es bekannt, Vorschaltreaktionskammern an den einander gegebenüberliegenden Stirnseiten einer Hauptreaktionskammer vorzusehen, Wodurch infolge mehrerer, in der HäUptreaktioriskämmer aufeinandertreffender Abgäsströrrie eine bessere Vermischung erzielt wird. Jedoch zeigt sich auch hier noch der Nachteil, daß insbesondere in der Startphase der Brennkraftmaschine die Verbrenfiurigsrcaktion der Abgasi nicht schnell genug

eintritt und außerdem wie bei den zuvor genannten bekannten Anordnungen ein großes Bauvolumen vorliegt, was auf die Zuordnung der Vorschaltreaktionskammern zur Hauptreaktionskammer zurückzuführen ist. >

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Abgassystem der eingangs bezeichneten Art eine Nachverbrennungsvorrichtung zu schaffen, die ein schnelles Anspringen der Verbrennungsreaktion in der Startphase der Brennkraftmaschine und eine lange to Verweilzeit der nachzuverbrennenden Abgase im Reaktionsbereich gewährleistet und ein kleines Bauvolumen hat.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs bezeichneten bekannten Gattung von Abgassyste- π men, erfindungsgemäß gelöst durch die Verbindung der folgenden Merkmale:

a) mehrere Vorschaltreaktionskammern sind vorgesehen, welche die Abgase aus jedem Auslaßkanal aufnehmen und jeweils über eine Aus- -" trittsöffnung in eine gemeinsame, mit der Auspuffleitung verbundene längliche Hauptreaktionskammer leiten, wobei die Austrittsöffnungen auf die gleiche Stirnseite der Hauptreaktionskammer ausgerichtet sind und an der 2> entgegengesetzten Stirnseite der Hauptreaktionskammer die Auspuffleitung anschließt;

b) die Vorschaltreaktionskammern mit ihren Austrittsöffnungen sind an einander gegenüberliegenden Längsseiten der Hauptreaktionskammer in angeordnet und ragen in die Hauptreaktionskammer hinein.

Durch die Erfindung wird eine relativ kleine Nachverbrennungsvorrichtung geschaffen, bei der infolge der Anordnung der Vorschaltreaktionskammern an ij einander gegenüberliegenden Längsseiten der Hauptreaktionskammer über deren Länge verteilt mehrere Bereiche vorhanden sind, in denen verschiedene Abgasströmungen aufeinandertreffen, wodurch die Vermischung der Abgase wesentlich verbessert ist. Zu- w sätzlich entsteht infolge der Ausrichtung der Austrittsöffnungen der Vorschaltreaktionskammern auf die gleiche Stirnseite der Hauptreakionskammer in dieser eine einheitliche Abgasströmung, die eine lange Verweilzeit der Abgase in der Hauptreaktionskam- -r> mer gewährleistet. Da die Vorschaltreaktionskammern nicht völlig außerhalb der Hauptreaktionskammer angeordnet sind, sondern in diese hineinragen, kann die Nachverbrennungsvorrichtung insgesamt so klein verwirklicht weiden, daß sie beispielsweise bei >o V-Brennkraftmaschinen in dem durch die Zylinderreihen eingeschlossenen Raum angeordnet werden kann.

Ein Abgassystem nach der Erfindung gewährleistet infolge seiner verbesserten Funktionsweise und seiner kleinen Bauform das schnelle Anspringen der Verbrennungsreaktion in der Startphase der Brennkraftmaschine, und trotz der kleinen Bauform wird eine vergleichsweise lange Verweilzeit der nachzuverbrennenden Abgase im Reaktionsbereich erzielt. bo

Ein Aüsführüngsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnüngsfigüren beschrieben. Es zeigt

Fig. I einen Seitenschnitt einer Brennkraftmaschine mit einem Abgassystem nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine teilweise gebrochene Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Maschine mit Abgassysteni.

In den Figuren ist eine Brennkraftmaschine 1 mit acht Zylindern dargestellt, die V-förmig in zwei Reihen angeordnet sind. Jeder Zylinder hat einen Hauptbrennraum 3 und einen damit über einen Flammkanal 4 verbundenen Hilfsraum 5. Eine Zündkerze 6 im Zylinderkopf 2 ist jedem Hilfsbrennraum 5 zugeord net. Jeder Hauptbrennraum 3 hat einen Haupteinlaßkanal 7, der durch ein Haupteinlaßventil 10 gesteuert wird. Jeder Hilfsbrennraum 5 hat einen Hilfseinlaßkanal 9, der durch ein Hilfseinlaßventil 12 gesteuert wird. Jeder Hauptbrennraum 3 hat ein Auslaßventil 11, das in einem Auslaßkanal S angeordnet ist. Die Ventile 10,11 und 12 werden durch nicht dargestellte Ventilsteuerungen üblicher Art betätigt.

Ein V-förmiger Raum zwischen den beiden Zylinderreihen ist für eine Nachverbrennungsvorrichtung 13 mit offener Oberseite vorgesehen. Diese offene Oberseite ist durch die Unterseite einer Zuführungskanalan'jrdnung 14 verschlossen. Die Nachverbreiinungsvorrichtung 13 umfaßt ■ .e Hauptreaktionskatnmer 15, die durch wärmeisoher nde Wandungen mit Längsseiten 17 eingeschlossen ist. Die Abstande zwischen den wärmeisolierenden Wandungen können mit Keramikmaterial oder einem anderen wärmeisoliere.iden Material 16 gefüllt sein. Vier Vorschaltreaktionskammern 18 ragen durch die isolierenden Längsseiten 17 hindurch in die Hauptreaktionskammer 15. Jede dieser Vorschaltreaktionskammern 18 ist wesentlich kleiner als die Haupireaktionskammer 15, vorzugsweise beträgt ihr Volumen ein Achtel bis ein Fünftel des Volumens der Hauptreaktionskammer 15. Jede Vorschaltreaktionskammer 18 hat eine Austrittsöffnung, die auf die vorderen Stirnseiten der Hauptreaktionskammer 15 ausgerichtet ist. Eine Auspuffleitung 19 ist an der hinteren Stirnseite der Hauptreaktionskammer 15 angeschlossen und führt zu einem nicht dargestellten Schalldämpfer. Jede Vorschaltreaktionskammer 18 besteh; aus hitzebeständigem Material, beispieisweise aus Edelstahl und ist durch ein rohrförniiges Element gebildet. Jede Vorschaltreaktionskammer 18 führt Abgase von den Austrittsöffnungen zweier einander benachbarter Zylinder ab, so daß vier Vorschaltreaktionskammern 18 für acht Zylinder vorgesehen sind. Die Auslaßzeiten der einander benachbarten Zylinder liegen ungleichzeitig, so daß jeweils nur einer der beiden Zylinder zu einem Zeitpunkt Abgase in die Vorschaltreaktionskammer 18 abgibt.

Die Zuführungskanalanordnung 14 umfaßt Haupt-Zuführungskanäle 20 und Hilfszuführungskanäle 21. die jeweils mit einem Haupteinlaßkanal 7 beziehungsweise einem Hilfeinlaßkanal 9 verbunden sind. Ei" Hauptvergaser 22 mit zwei Gemischbildungskanälen bekannter Art ist mit der oberen Öffnung der Haupt7uführun£ckanäle 20 verbunden. F.in Hilfsvergaser 23 mit einem Gemischbildungskanal ist mit den Hilfszuführungskanälen 21 verbunden. Der Hauptvergaser 22 ist so eingestellt, daß er ein mageres Kiaftstoff-Luft^emisch mit einem großen Anteil überschüssiger Luft erzeugt, der Hilfsvergaser 23 ist so eingestellt, daß er ein fettes Kraftstoff-Luitgemisch für die Hilfsverbrennungsräume 5 erzeugt.

Beim Betrieb wird Umgebungsluft durch einen Luftfilter 24 und den Hauptvergaser 22 sowie den Hilfsvergaser 23 zugeführt. Ein im Hauptvergaser 22 erzeugtes mageres Gemisch wird zur Verdampfung in den Hauptzuführungskanälen 20 erwärmt und über die Haupteinlaßkanäle 7 den Hauptbrennräumen 3

zugeführt, wenn die Hatiptcinlaßvenlile 10 geöffnet sind. Das fette Kraftstoff-Luftgemisch des Hilfsvergasers 23 wird zur Verdampfung in den Hilfszuführungskanälen 21 erwärmt und über die Hilfseinlaßkanälc 9 dem jeweiligen Hilfsbrennraum 5 zugeführt, wenn das betreffende Hilfseinlaßventil 12 geöffnet ist. Das fette Gemisch strömt über die Hilfsbrennräumc 5 durch die Flammkariäle 4 auch iii die Hauptbrennräume 3. Beim nachfolgenden Kompressionshub des Kolbens wird das durch das magere Gemisch in dem Hauptbrennraum bis zu einem gewissen Grade verdünnte fette Gemisch durch den Flammkanal 4 hindurch zurück in den Hilfsbrennraum 5 gedruckt. Am Ende des Kompressionshubes zündet die Zündkerze 6 das Gemisch in dem Hilfsbrennraum 5, wodurch eine strahlartige Flamme durch den Flammkanal 4 in den Hauptbrennraum 3 geführt wird und dort das magere Gemisch zündet. Auf diese Weise kann die Maschine mit einem Gemisch gespeist werden, das ein insgesamt extrem kleines Kraftstoff-Luftverhältnis hat. Überschüssige Luft in den Hauptbrennräumen 3 wird mit auf die Abgastemperatur erhitzt.

Während des nachfolgenden Auspuffhubes eines jeden Kolbens werden die Abgase durch die Auslaßkanäle 8 zunächst einer Vorschaltreaktionskammer 18 kleinen Volumens zugeführt, wobei diese Kammer sich erhitzt, während sich die Abgase ausdehen und ihre Geschwindigkeit verringern. Da die Zylinder eines jeden benachbarten Zylinderpaares den Auspuffhub zu unterschiedlichen Zeiten ausführen, wird Abgas abwechselnd von den beiden Auslaßkanälen 8 in die gemeinsame Vorschaltreaktionskammer 18 geführt, wodurch sichergestellt wird, daß die einzelnen Abgasströmungen ein ausreichendes Ausdehnungsvolumen antreffeil und die Vorschallrcaktionskammer 18 schnell aufheizen. Die Abgase werden dann in die Hauptreaktionskammer 15 geführt, die ein großes Volumen hai, Dadurch dehnen sie sich weiter aus und erwärmen die Kammer 15 mit der noch verbleibenden Wärme und verlängern ferner die Zeit, in der die Abgase bei relativ hoher Temperatur verweilen. Die Abgase werden schließlich durch Auspuffleitung 19 und dert nicht dargestellten Schalldämpfer in

die Atmosphäre abgegeben. Die jeweilige Vorschaltreaktionskammer 18 kann schnell auch durch eine geringe Abgasmenge aufgeheizt werden, obgleich die Hauptreaktionskammer 15 sich langsamer erwärmt und ihrerseits eine Geschwindigkeitsverringerung für eine große Abgasmenge ermöglicht.

Wenn beide Reaktionskammern 15 und 18 die für die Nachverbrennungsreaktion nötige Temperatur erreicht haben, können sich schädliche Komponenten der Abgase gut miteinander vermischen, während

die Abgase mit mäßiger Geschwindigkeit durch beide Reaktionskammern strömen. Ferner erfolgt eine stärkere Vermischung mit der überschüssigen Luft hoher Temperatur, die dann zur Nachverbrennung führt.

Durch Anordnung einer Vorschaltreaktionskammer, die schnell mit geringen Abgasmengen aufgeheizt werden kann, und einer Hauptreaktionskammer, die zwav später aufgeheizt wird, jedoch eine Reaktion für eine große Abgasmenge gewährleistet, wird es

JO möglich, die gewünschte Nachverbrennungsreaktion für alle Betriebszustände zu erreichen. Es ist keine Sekundärluft aus der Atmosphäre in das Abgassystem einzuführen, so daß eine besondere Luftpumpe nicht erforderlich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

OA Ί.Α λ. - r *j 1T Patentansprüche:

1. Abgassystem für eine Brennkraftmaschine mit Fremdzündung und mehreren Zylindern, die jeweils einen Hauptbrennraum sowie einen damit über einen Flammkanal verbundenen Hilfsbrennraum umfassen, mit ventilgesteuerten Haupteinlaßkanälen für mageres Kraftstoff-Luftgemisch in die Hauptbrennräume, mit ventilgesteuerten Hilfseinlaßkanälen für fettes Kraftstoff-Luftgemisch in die Hilfsbrennräume und mit jeweils einem an den Hauptbrennraum angeschlossenen ventilgesteuerten Auslaßkanal, wobei die Auslaßkanäle letztlich in eine Auspuffleitung münden, gekennzeichnet durch die Verbindung der folgenden Merkmale:

a) mehrere Vorschaltreaktionskammern (18) sind vorgesehen, welche die Abgase aus jeden« Auslaßkanal (8) aufnehmen und jeweils über eine Austrittsöffnungen in eine gemeinsame, mit der Auspuffleitung (19) verbundene längliche Hauptreaktionskammer (15) leiten, wobei die Austrittsöffnungen auf die gleiche Stirnseite der Hauptrcaktionskammer ausgerichtet sind und an der entgegengesetzten Stirnseite der Hauptreaktionskammer die Auspuffleitung (19) anschließt;

b) die Vorschaltreaktionskammern (18) mit ihren Austrittsöffnungen sind an einander gegeni berliegenden Längsseiten (17) der Hauptreaktionskammer (15) angeordnet und ragen in die riauptreaktionskammer hinein.

2. Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptreaktionskammer (IS) ein fünf- bis achtmal größeres Volumen als jede Vorschaltreaktionskammer (18) hat.

3. Abgassystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptreaktionskammer (15) in Wärmetauschwechselwirkung mit den Hilfszuführungskanälen (21) gebracht ist..

4. Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptreaktionskammer (15) in Wärmetauschwechselwirkung mit den Hauptzuführungskanälen (14) gebracht ist.

5. Abgassystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Vorschaltreaktionskammer (18) jeweils mehreren Zylindern nachgeschaltet ist, deren Ahgasausstoß tu unterschiedlichen Zeiten erfolgt.

6. Abgassystem nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschaltreaktionskamlnern( 18) jeweils zwei nebeneinander angeordneten Zylindern nachgeschaltet sind.