DE2436559A1 - Abgasentgiftungsanlage einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

• Anlage zur Patent- und Gebrauchsmusterhilfsanmeldung Abgasentgiftungsanlage einer Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Abgasentgiftungsanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasreaktor und mit einem Abgasrohr, deren Krümmer unmittelbar an die Brennkraftmaschine geflanscht die Abgase von den Motorzylindern zu einer Abgassammelleitung leitet.
• Bei allen bekannten Anlagen, bei denen die Abgasentgiftung auf der Auspuffseite des Motors erfolgt, laufen komplexe Reaktionen ab, die zum Teil eine Oxidation der giftigen nicht verbrannten Bestandteile, zum Teil eine Reduktion giftiger Bestandteile beinhalt-en.CO (Kohlenmonoxid) und HC (Kohlenwasserstoffe) werden unter Zugabe von 02 (Sauerstoff) bei ausreichenden Temperaturen zu CO2 (Kohlendioxid) und H20 (Wasser) oxidiert. Umgekehrt verhält es sich bei den NOx (Stickoxiden), bei denen über eine Reduktion mit Hilfe von CO, das zu CO2 oxidiert wird, N2 (Stickstoff) entsteht. Bei diesen Vorgängen entstehen also aus den giftigen HC, CO und NOx ungiftige CO2, N2 und 1120.
• Bekanntlich nehmen mit zunehmender Verbrennungstemperatur und leicht magerem Kraftstoff-Luft-Gemisch-Verhältnis die NOx zu, während bis zu einem gewissen Maße bei den zunehmend mageren Gemischen das CO und HC abnimmt. Gerade diese letztgenannten Giftstoffe müssen in naher Zukunft stärker im Abgas reduziert werden also die NOx Für eine befriedigende Oxidation ist in erster Linie eine hohe Reaktionstemperatur insbesondere in einem Thermoreaktor erforderlich, während für die Reduzierung der NO x katalytische Reaktoren unumgänglich sind. Auch diese katalytischen Reaktoren arbeiten erst oberhalb bestimmter Temperaturen und haben ihren günstigsten Wirkungsgrad bei verhältnismäßig hohen Temperaturen.
• Da der Kraftstoffverbrauch in Zukunft eine zunehmend große Rolle spielen wird, wird man einen Verbrennungsablauf anstreben, dem ein mageres Krafgstoff-Luft-Gemisch (X>1) zugrunde liegt. Der Vorteil bei einem derartigen Mischt mageren System besteht in den niedrigen CO- und HC-Giftanteilen im Abgas. Die giftigen NOx-Anteile müssen bei derartigen Verfahren gegebenenfalls in einem Katalysator reduziert werden.
• Die für die genannte Oxidation erforderlichen hohen Temperaturen stehen nahezu sofort nach dem Starten der Brennkraftmaschine unmittelbar hinter dem Auslaßventil und im Beginn des Auspuffkrümmers zur VerfUgung. Bei einer bekannten Abgasentgiftungsanlage führt deshalb vom AuspuffkrVimmer unmittelbar nach dem Auslaßventil ein Wärmerohr zum Reaktor. Bei anderen bekannten Abgasentgiftungsanlagen wird bis zur Aufwärmung des Reaktors dieser durch Fremdenergie, beispielsweise elektrische Energie oder Einspritzen von Brennstoff und Luft, aufgeheizt. Diese bekannten Verfahren sind entweder sehr aufwendig und entsprechend teuer oder sie stellen an die Regelung, wie Temperatursteuerung usw., erhebliche Forderungen.
• Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Abgasentgiftungsanlage zu entwickeln, bei der mit wenig Aufwand insbesondere die gewünschten Oxidationsreaktionen bewirkt werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Krümmer unmittelbar als Reaktor dient, nach außen wärmeisoliert ist und vorzugsweise aus dünnem wärmebeständigem, aber schlecht leitendem Material besteht.
• Hierbei kommt dem Reaktionsablauf zugute, daß im Krümmer ein verhältnismäßig großes Volumen zur Verfügung steht, so daß eine gewisse Verweilzeit möglich ist, ohne daß zusätzlich wie bei einem separaten im Abgasrohr angeordneten Thermoreaktor nachteilige Volumenvergrößerungen erforderlich sind.
• Ausgestaltungen der Erfindung betreffen Ausbildungen des Abgasrohrinneren mit die Oxidation oder eine Reduktion bewirkenden katalytischen Materialien bzw. die Reaktion fördernden Verwirbelungsvorrichtungen oder Flächenvergrößerungen.
• Bekanntlich beeinflussen die Abgasströme bei höherer Drehzahl und höherer Last den Motorlauf, wenn sie unmittelbar vor Einmündung in die Xbgassammelleitung aufeinander treffen. Erfindungsgemlß ist deshalb im Abgaskrilmmer eine Vorrichtung angeordnet, durch die der Abgasstrom einen prall erhält, so daß sich die einzelnen Gasströme an der Mündung ineinander schrauben oder es dient als Übergang zwischen KrUmmer und Sammelleitung ein Sammeltopf mit einem koaxial angeordneten Einsatzrohr, wobei ein Teil der Krümmer in den zwischen Sammeltopf und Einsatzrohr gebildeten Ringraum, der andere Teil in den Einsatztopf mUnden. Hierdurch wird nicht nur eine nachteilige Beeinflussung der Ströme vermieden, sondern es wird auch eine Glättung der Pulsationen bewirkt.
• Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es- zeigen: Fig. 1 einen einfachen isolierten Auspuffkrümmer und Sammelleitung im teilweisen Schnitt, Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 das zweite Ausführungsbeispiel als Krümmer und Sammeltopf in einem Teilschnitt und Fig. 4 einen Teilschnitt durch den Krümmer mit Sammeltopf nach Linie IV-IV in Fig. 3.
• Bei dem in Figur 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel hat der Auspuffkrümmer 1 einen dünnen Stahlblechmantel 2, der nach außen durch eine wärmeisolierende Schicht 5 überzogen ist. Im Inneren des Rohres sind Lamellen 4 angeordnet, die schraubenförmig das Rohr durchziehen und somit dem Abgas eine gewisse Drallbewegung geben. Statt Lamellen kann auch ein schraubenförmig angeordneter Draht dienen oder eine Blechspirale. Wenn nun die Abgasströme in bestimmten Absenden bei 5 zusamnentreffen, schrauben sie sich durch die Drallbewegung besser ineinander als es bei geradlinigen Strömen der Fall wäre. Um eine katalytische Reaktion zu bewirken, sind die Lamellen bzw. die Rohreinsrtze mit einem katalytischen Material wie Platin, Kupfer odgl.überzogen.
• Durch die relativ große Oberflache derartiger Lamellen erfolgt auch ein relativ guter Wärmeaustausch innerhalb des Rohres, während eine Wärmeabgabe nach außen durch die Isolation 3 weitgehend verhindert wird. Je nach Bedarf kann der katalytische Einsatz als Reduktionskatalysator oder als Oxidationskatalysator ausgebildet sein. In jedem Fall dient der gut isolierte Abgaskrümmer 1 als Thermoreaktor, der die sehr hohen Abgas temperaturen unmittelbar am Auslaßventil für die Reaktion ausnutzt und insofern bereits unmittelbar nach Starten der Brennkraftmaschine voll wirksam ist. Die Abgase treten durch die drei Geweihäste 6,7 und 8 von der nicht dargestellten Brennkraftmaschine her in den Krümmer 1 ein, vermischen sich bei 5 und gelangen dann vermischt in die Abgassammelleitung 9, die wiederum eine Isolation 3 hat, und in den Auspufftopf 10 mündet.
• Durch das verhältnismäßig große Volumen im Krümmer 1 haben die Abgase eine für eine möglichst vollständige Reaktion ausreichende Verweilzeit, bevor sie herausgedrängt werden.
• Die Funktion des Krümmers ist erfindungsgemäß in erster Linie die eines Thermoreaktors, d.h. eines Reaktors, bei dem die hohen unmittelbar am Auslaßventil des Motors herrschenden Temperaturen für eine Oxidationsreaktion ausgenutzt werden.
• Es werden giftige Kohlenwasserstoffe I1C und giftiges Kohlenmonoxid CO zu ungiftigem Kohlendioxid CO2 und zu Wasser H20 oxidiert. Bei ausreichendem Kohlenmonoxid kann bei dessen Oxidation zu CO2 auch eine Reduktion der Stickoxide NO x zu Stickstoff N2 erfolgen. Der beschriebene Redoxprozeß wird in Anwesenheit von den katalytischen Materialien gefördert und zum Teil sogar erst ermöglicht. In jedem Fall jedoch ist eine ausreichende Reaktionstemperatur erforlerlich, die erfindungsgemäß auf sehr einfache Weise schon ab unmittelbar nach Start der Brennkraftmaschine gewonnen wird.
• Bei dem in Figur 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, das im Prinzip dem in Figur 1 und 2 dargestellten entsprbht, wird auf der einen Seite angestrebt, den bei Vollast bei üblichen Krümmern bekannten negativen Einfluß auf den Motorlauf zu vermeiden und zum andern zu verhindern, daß sogenannte Kohlenwasserstoffwolken als solche ins Freie gelangen. Kohlenwasserstoffwolken bilden sich immer am Ende jedes Abgasausschubes. Diese Wolken können aufgrund ihrer Anhäuiung meist nicht ausreichend oxidiert werden und gelangen somit teilweise ins Freie.
• Die Geweihäste 14,15 und 16 werden bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel in einen Sammeltopf 17 geleitet, in dem ein Einsatzrohr 18 angeordnet ist. Während die Abgase aus den Ästen 14 und 16 in den Ringraum 19 zwischen Topf und Rohr 18 tangential eingeleitet werden und somit eine Drallbewegung im Ringraum 19 erzeugen, werden die Abgase aus dem Ast 15 geradlinig in das Rohr 18 eingeleitet. Ringraum 19 und Rohr 18 münden in einen Raum 20 des Sammeltopfes 17. Zum Raum 20 hin hat der Sammeltopf 17 einen konischen Abschnitt 21 und auch das Rohr 18 weist dort einen konischen Abschnitt 22 auf. Der Mündungsquerschnitt 23 des Ringraumes 19 ist gleich groß den Mündungsquerschnitt 24 des Einsatzrohres 18. Durch diese Verjüngungen wird bewirkt, daß sich die HC-Wolken an dieser Verjüngung sammeln. Während in der einen Mündung die Wolke gestaut ist, strömt durch diese andere Mündung ein Abgasstrahlyder die walke aufgrund des beim Strahl gebildeten Unterdrucks mit saug und auflöst bzw. durch Reaktion oxidiert. Da die Abgas stöße immer im Wechsel durch Ringraum 19 und Rohr 18 geleitet werden, wird dadurch die naturgemäß im Wechsel sich bildende HC-Wolke verarbeitet.
• Dieses Prinzip der wechselweise durch ein Rohr und einen konzentrischen Ringraum oder durch einen inneren und äußeren Ringraum geleiteten Abgasausstöße läßt sich auch durch entsprechende konstruktive Zusammenführung der einzelnen Abgasstutzen (bestimmt durch die Zündfolge)auf 2-, 6-, 8- etc.
• Zylindermotoren anwenden.
• Die im Ringraum 19 erzeugte Drallbewegung verbessert die Durchwirbelung und Mischung der Abgase und erhöht damit die thermische Reaktion. Außerdem wird bei Eintritt in den Raum 20 bzw. in die daran anschließende nicht dargestellte Abgassammelleitung eine hervorragende Durchmischung der Abgasströme bewirkt. Dies ist insbesondere deshalb von Bedeutung, weil sich die Temperaturen während des Ausströmens aus dem Zylinder ändern. Das Einsatzrohr 18 ist vorzugsweise aus gut leitendem Material, um auch einen guten Wärmeübergang zwischen den Gasen im Ringraum 19 und im Rohr selbst zu bewirken.
• Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann natürlich auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel das Rohrinnere mit katalytischen Materialien ausgestattet sein, um die Oxidation zu fördern und/oder eize Reduktion zu ermöglichen.

Claims (9)

Ansprüche

1. Abgasentgiftungsanlage einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasreaktor und mit einem Abgasrohr, deren Krümmer unmittelbar an die Brennkraftmaschine geflanscht die Abgase von den Motorzylindern zu einer Abgassammelleitung leitet, dad-irch gekennzeichnet, daß der Krümmer (1) unmittelbar als Reaktor-dient, nach außen wärmeisoliert ist und vorzugsweise aus dünnem wärmebeständigem, aber schlecht leitendem Material besteht.

2. Abgasentgiftungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Sammelleitung (9) ebenfalls wärmeisoliert ist.

3. Abgasentgiftungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Abgasrohres (1,9) mit einer katalytisch aktiven Schicht (4) belegt ist.

4. Abgasentgiftungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch írekennzeichnet, daß auf odervor der Abgasrohrinnenwand katalytische insbesondere schraubenförmige Formteile (4) angeordnet sind.

5. Abgasentgiftungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgaskrümmer (1) eine Vorrichtung (4) angeordnet ist, durch die der Abgasstrom eine Drallbewegung erhält.

6. Abgasentgiftungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Übergang zwischen Krümmer (1) und Sammelleitung (9) ein Sammeltopf (17) vorgesehen ist mit einem koaxial im Topf angeordneten Einsatzrohr (18), und daß ein Teil (14,16) der Krümmeraste in den zwischen Sammeltopf und Einsatzrohr gebildeten Ringraum (19), der andere Teil (15) in das Einsatzrohr (18) mündet.

7. Abgasentgiftungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere koaxial angeordnete Ringräume (19) vorhanden sind, in die je ein entsprechender Teil der Krümmeräste mündet.

8* Abgasentgiftungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ringraum (19) milndenden Äste (14,16) des Krümmers (1) tangential eingeführt sind, hingegen die anderen Krümmeräste (15). axial in das Einsatzrohr (18) münden.

9. Abgasentgiftungsanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß det Sammeltopf (17) und das Einsatzrohr (18) zur Ausströmseite (20) hin verjüngt sind, wobei die Querschnitte (23,2) an der Austrittsstelle der jeweiligen Durchströmmenge angepaßt sind, so daß die gleiche Durchströmgeschwindigkeit bei gleichen Motorkenngrößen in den Querschnitten herrscht.

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