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Anlage zur Patent- und Gebrauchsmusterhilfs-Anmeldung Anlage zur Abgasentgiftung
von Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Abgasentgiftung von
Brennkraft'aaschinen mit mindestens einem thermischen oder katalytischen Reaktor
im Auspuffsystem.
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Bekanntlich ist der den Reaktor aufnehmende Teil der Auspuffanlage
von der Brennkraftmaschine entfernt, un zu verhindern, daß Auspuffwärme an die Brennkraftmaschine
abgegeben wird und damit deren Kühlung verzögert, abgesehen davon, daß bei Kraftfahrzeugen
in dem den Motor aufnehmenden Raum kaum Platz fur Schalldämpfer oder Reaktoren vorhanden
ist. Aus diesem Grunde sind die Abgase, bis sie vom Motor zum Reaktor gelangen,
bereits etwas abgekühlt, was insbesondere in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine
zu einem schlechten Arbeiten des Reaktors führt. Wenn man nun den Reaktor wärmemäßig
so auslegt,
daß er sich schnell erwärmt, so treten bei längerer
Höchstbelastring der Brennkraftmaschine im Reaktor unzulässig hohe Temraturen auf,
die seine Lebensdauer stark beeinträchtigen. Wird die Brennkraftmaschine dann wieder
bei niedrigen Drehzahlen betrieben, so kann die Temperatur des Reaktors unter einen
Wert absinken, unter dem er seine punktion nicht mehr erfüllen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Abgasentgiftungsanlage
zu entwickeln, bei der der Reaktor noglichst schnell seine Arbeits-temperatur erreicht,
diese auch bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine nicht überschreitet und bei
Absinken der Drehzahl der Brennkraftmaschine dennoch beibehält.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Warrlespeicher
vorgesehen ist, der über wenigstens ein gutleitendes Wärme-vibertragungssystem mit
den Reaktor in Verbindung steht.
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Eine sehr schnelle Aufheizung des Reaktors in der Warmlaufphase wird
in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß durch ein Wärmeübertragungssystem,
vorzugsweise ein Wärmerohr (heat pipe), das Abgasrohr am Auslaß der Brennkraftmaschine
mit dem Reaktor verbunden ist.
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btri?b Zur Kühlung der Abgase bei VollastXst in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung durch ein Wärmeübertragungssystem das Abgasrohr am Auslaß der Brennkraftmaschine
mit dem Wärmespeicher verbunden.
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Dieses Wärmeübertragungssystem kann vorzugsweise als Wärmerohr oder
als Bypass ausgebildet sein.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß eine rasche
Aufheizung des Katalysators im Reaktor bei Kaltstart, d. h.
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während der Warmlaufphase, erreicht wird, da zu der Zeit noch keine
Wärmeabgabe an den Wärmespeicher erfolgt. Unzulässig hohe Demperaturen im Katalysator
werden dadurch vermieden, daß ab einer bestimmten Temperatur Wärme vom Katalysator
in den
Wärmespeicher zurückfließt. Ein unzulässiger Temperaturabfall
im Katalysator bei einem Betrieb der Brennkraftmaschine mit niedriger Drehzahl und
kleiner Last wird dadurch verhindert, daß ein Warmerückfluß vom Wärmespeicher in
den Katalysator sehr schnell, insbesondere über ein Wärmerohr, erfolgt. Bei lctirzzeitig
abgestelltem Iiotor bleibt der Katalysator dadurch voll wirksam, daß bei Wiederinbetriebnahme
eine Wiedererwärmung des Katalysators durch den Wärmespeicher ieiir schnell erreicht
wird. Bei kurzzeitig abgestelltem Fahrzeug kann die Speicherwärme des Wärmespeichers
auch für andere Aggregate, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug die Heizung oder
das Kühlsystem, eingesetzt werden.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Abgasentgiftungsanlage und Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Abgasentgif
tungsanlage.
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Zunächst sei auf das bekannte Prinzip des Wärmerohrs (heat pipe) eingegangen.
Bei einem solchen Wärmerohr handelt es sich um ein geschlossenes Rohr beliebigen
Querschnitts, an dessen Innenwandung eine Kapillarschicht angebracht ist. Eine solche
Kapillarschicht kann z. B. ein engmaschiges Netz oder eine Gewinderille in der Rohrinnenfläche
sein. In seinem heißesten Bereich, der sogenannten Heizzone, wird im Innern eine
Flüssigkeit verdampft. Der Dampf schießt mit hoher Geschwindigkeit in die kühleren
Zonen und kondensiert dort in den sogenannten Kühl zonen. Die Flüssigkeit wird durch
Kapillarkraft in der Kapillarstruktur wieder in die Heizzone zurückgeführt. Bei
flüssigem Natrium als Wärmeübertragungsmedium kann eine Wärmeleitfähigkeit erreicht
werden, die einige tausend Nal höher ist als bei Wärmeleitung durch Metallstäbe
(Cu) bei gleichen Durchmesser der wärmeübertragenden Vorrichtung
und
bei gleichem Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Die Wärmeübertragung
von der Heizzone zur Kühlzone erfolgt praktisch bei konstanter Temperatur längs
des Heizstabs (isotherme Verhältnisse im Wärmerohr). Wärmerohre sind beispielsweise
bekannt aus den "Preprints" der "International Heat Pipe Conference, October 73,
Stuttgart". Über die Regelbarkeit von Wärmerohren ist dort in Session 7 unter dem
Titel Variable Conductance Keat Pipes" berichtet. Der Betrieb eines Wärmerohrs als
Diode, d. h. Wärmeübertragung nur in eine Richtung, ist in Session 12, "Development
of Alkali-Metal Heat Pipes as Thermal Switches" beschrieben.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist eine Brennkraftmaschine
10 dargestellt, deren Abgase über ein Abgasrohr 11 einem Reaktor 12 zugeführt werden,
von wo aus sie weiter der Auspuffanlage 13 zugeleitet werden. Ein solcher Reaktor
enthält z. B.
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katalytisch wirkendes Material in Form von Granulat oder auch als
Monolith, oder es sind Rippen oder Lamellen angeordnet, deren Oberflächen mit katalytischem
Material, beispielsweise Platin, bedampft sind und vom Abgas umströmt werden. Die
Platinschicht wird durch das Abgas erhitzt, und ab einer Temperatur von ungefähr
300°C beginnt die katalytische Nachverbrennung der Abgase.
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Ein Wärmespeicher 14 ist über ein erstes Wärmerohr 15 mit dem Abgasrohr
11 verbunden. Unter einem Wärmespeicher versteht man einen Behälter, indem sich
ein Medium befindet, das ein sehr hohes Wärmespeiehervermögen besitzt, bezogen auf
die Speichermasse bzw. auf das Speichervolumen. Als Wärmespeichermedien eignen sich
Salze wie Nah03, NaOH, NaCl, CuCl, insbesondere aber Fluorid-Salzschmelzen.
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Der Wärmespeicher 14 ist über ein zweites Wärmerohr 16 sowie über
ein drittes, als Diode betriebenes Wärmerohr 17 mit dem Reaktor 12 verbunden. Ein
viertes Wärmerohr 18 verbindet eine in der Nähe der Brennkraftmaschine 10 liegende
Stelle des Abgasrohres 11 mit dem Reaktor 12. Ein fünftes, mit dem Wärmespeicher
15 in Verbindung stehendes Wärmerohr 19 weist Kühlrippen 20 auf und dient zur Notkühlung
des Wärmespeichers 14.
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Dies kann dadurch erreicht werden, daß für dieses Wärmerohr 19 ein
Wärmeträger mit einen Siedepunkt gewählt wird, der mit der maximal zulässigen Temperatur
des Wärnespeichers 14 übereinstimmt. Wird diese maximal zulässige Temperatur überschritten,
so beginnt das Wärmerohr 19 zu arbeiten und killt den Wärmespeicher 14 ab. Bei Unterschreiten
einer bestimmten Temperatur stellt das Wärmerohr 19 dann automatisch seinen Betrieb
wieder ein.
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Ein sechstes, mit dem Wårmespeicher 14 in Verbindung stehendes Wärmerohr
21 trägt eine elektrische Heizung i2zW DulrmcedaSsOer ektrische Heizung 22, die
natürlich auch im Wärmespeicher 14/integriert sein kann, kann die Warmlaufphase
des Systems beschleunigt werden, indem bei kaltem System der Wärmespeicher 14 bzw.
der Reaktor 12 zusätzlich elektrisch beheizt wird.
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Die Wärmerohre 17 und 18 besitzen Abschaltvorrichtungen 170 bzw.
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180 zum Abschalten des Wärmestroms. Außerdem besitzt das Wärmerohr
15 eine Regelvorrichtung 150 zur kontinuierlichen Regelung der Wärmeübertragung
im Wärmerohr. Solche Abschaltvorrichtungen und Regelvorrichtungen in Wärmerohren
können z. B. entweder durch Gaspolster oder durch mechanische Vorrichtungen erreicht
werden.
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Mechanische Vorrichtungen verschieben z. B. zwei Wärmerohre gegeneinander,
so daß die Wärmeübertragungsfläche variiert wird.
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Zur Steuerung der Regel- und Abschaltvorrichtungen 150, 170, 180 sind
diese mit einer vorzugsweise elektronischen Steuervorrichtung 23 verbunden. Ein
erster Temperaturfühler 24 im Reaktor 12 und ein zweiter Temperaturfühler 25 im
Wärmespeicher 14 sind ebenfalls mit der elektronischen Steuervorrichtung 23 verbunden.
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Ein siebtes Wärmerohr 26 verbindet den Wärmespeicher 14 mit dem Abgasrohr
am Auslaß des Reaktors 12.
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Zunächst sei die Warmlaufphase beschrieben, d. h. der Start der Brennkraftmaschine
10 bei kalter Gesamtanlage. Das Ziel ist es
in dieser Phase, den
Reaktor 12 möglichst rasch aufzuheizen, so daß die katalytische Nachverbrennung
beginnen kann. Dazu ist die Regelvorrichtung 150 gesperrt und die Abschaltvorrichtung
180 geöffnet. Die Aufheizung des Reaktors 12 erfolgt somit einmal direkt durch die
Abgase und zum anderen über das Wärmerohr 18, durch das Wärme vom heißen Notorauslaß
zum Reaktor 12 übertragen wird. Gleichzeitig wird der Wärmespeicher 14 durch die
immer noch heißen Abgase am Auslaß des Reaktors 12 durch das Wärmerohr 26 vorgeheizt.
Eine Unterstützung dieser Vorheizung kann durch die elektrische Heizung 22 erfolgen.
Ist eine gute Betriebstemperatur von ca. 500 bis 8000C im Reaktor 12 erreicht, so
schließt die Abschaltvorrichtung 180, um keinen Wärmestrom mehr zum Reaktor 12 zuzulassen,und
das Wärmerohr 16, dessen Wärmeträger einen Siedepunkt von etwa 500 bis 800°C hat,
z. B.
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Kalium oder Natrium, beginnt zu arbeiten. Es wird Wärme aus den Reaktor
12 in den Wärmespeicher 14 übergeführt, wodurch die Temperatur im Reaktor 12 nahezu
konstantgehalten wird.
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In Abhängigkeit von der Temperatur des Reaktors 12 erfolgt auch die
Steuerung bzw. Regelung der Regelvorrichtung 150 durch die elektronische Steuervorrichtung
23. Es wird auf eine konstante Temperatur im Reaktor 12 geregelt, d. h., bei Anstieg
der Temperatur im Reaktor 12 vergrößert sich der Wärmestrom im Wärmerohr 15 und
bei Absinken der Temperatur im Reaktor 12 verringert sich dieser Wärmestrom. Die
Abfuhr der Wärme aus dem Abgasrohr 11 kann auch etwas weiter stromabwärts erfolgen.
Dort herrscht eine größere Abhängigkeit der Abgastemperatur von der Drehzahl und
der Last der Brennkraftmaschine vor. Das Wärmerohr 15 braucht dann nur im Notfall
zu regeln, wenn der Katalysator gefährdet ist.
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Bein Teillast- und Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine 10 wird die
Temperatur des Reaktors 12 durch das Wärmerohr 16, welches die Wärme in beiden Richtungen
überträgt, je nach vorherrschenangenähert der Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine
10,/konstantgehalten.
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Die Wärmerückführung vom Wärmespeicher 14 zum Katalysator 12
durch
das Wärmerohr 16 ist jedoch sicher selten, da der Wärmespeicher 14 so ausgelegt
wird, daß er sich kaum über 7000C aufheizen kann. Fällt die Temperatur im Reaktor
12 jedoch unterhalb 7000C, einer Temperatur, bei der das Wärmerohr 16 nicht mehr
arbeiten kann, so erfolgt der Wärmerückstrom in den Reaktor 12 durch das als Diode
eingesetzte Wärmerohr 17, das im oberen Temperaturbereich durch das Ventil 170 abgeschaltet
war. Das Arbeitsmedium dieses Wärmerohrs 17 ist so gewählt, daß ein Arbeiten bis
hinunter zu 300-400°C möglich ist.
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Bei kurzzeitig abgestellter Brennkraftmaschine, wie es bei Stadtfahrten
eines Kraftfahrzeugs öfters vorkommt, kühlt der Katalysator jedesmal rasch entsprechend
seines geringen Wärmespeichervermögens aus. Bei wiederholtem Anfahren muß daher
der Reaktor 12 erst wieder auf seine Mindestarbeits-temperatur von über 300°C gebracht
werden. Der Wärmespeicher 14 vermag seine Temperatur einige Stunden über der Anspringtemperatur
des Satalysators halten. Die rasche Aufheizung des Reaktors 12 erfolgt hierbei liter
das Wärmerohr 17. Es kann ilun en-t-reder bei jedem Halt die Abschaltvorrichtung
17C betätigt werden und bei jeden Anfahren der Wärmestrom durch das Wärmerohr 17
wieder in Bewegung gesetzt werden, so daß eine rasche Aufheizung des Reaktors 12
erfolgt; die Abschaltvorrichtung 170 kann jedoch auch erst bei längerem Halt in
Tätigkeit treten, so daß bei kürzeren Abstellen der Brennkraftmaschine 10 die Temperatur
im Reaktor 12 erhalten bleibt.
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Das in Pi Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht
im wesentlichen in Aufbau und Wirkung dem ersten Ausführungsbeispiel. Als einziger
Unterschied ist das Wärmerohr 15 durch einen Bypass 30 ersetzt, der jetzt das Abgasrohr
11 mit dem Wärmespeicher 14 verbindet. Durch eine Bypass-Klappe 31 kann der Strom
des Abgases kontinuierlich in zwei Richtungen aufgespalten werden, nämlich die Richtung
direkt durch das Abgasrohr und die Richtung durch den Bypass 3G. Die Regelung der
Bypass-Klappe 31 entsprich-t der Regelung der Regelvorrichtung 150 in Fig. 1. Auch
die Sunktion des Bypasses 30 entspricht der Funktion des Wärmerohrs 15.
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(Bei Übertemperatur im Reaktor Abgabe von Gaswärme an Wärmespeicher.)
Sämtliche
in Fig. 1, jedoch nicht in Fig. 2, dargestellte Wärmerohre könne; selbstverständlich
auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 eingesetzt werden. Auch Kombinationen von
nur einzelnen Teilen der genannten Ausführungen sind durchaus möglich.
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Das Wärmerohr 26 kann äquivalent durch einen Bypass durch den Wärmespeicher
14 ersetzt werden.
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Die Regelung der Regelvorrichtung 150 bzw. der Bypass-Klappe 71 stellt
eine übliche, bekannte Temperaturregelung dar. Zur Steuerung der Abschaltvorrichtung
180 ist eine einfache, bekannte Schwellwertsteuerung nötig. Liegen beide, von den
Temperaturfühlern 24, 25 gemeldeten Temperaturen unter einem bestimmten Schwellwert,
so registriert die elektronische Steuervorrichtung 23 den Zustand WarmlauSphase"
und die Abschaltvorrichtung i8o wird nicht betätigt. Liegt eine der beiden Temperaturen
über dem eingestellten Schwellwert, so tritt die Abschaltvorrichtung 180 in Tätigkeit.
Die Steuerung der Abschaltvorrichtung 170 erfolgt über die Temperatur im Wärmespeicher,
d. h. sie öffnet, wenn die Temperatur im Wärmespeicher unterhalb der Temperatur
zu liegen kommt, bei der das Wärmerohr 16 nicht mehr arbeitet. Hier kann noch ein
Zeitglied vorgesehen werden, das bei Abschalten des Motors gestartet wird und nach
einer bestimmten Zeit die Abschaltvorrichtung 170 betätigt.