DE2533669A1

DE2533669A1 - Verfahren und einrichtung zum regeln der auspuffemissionen einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE2533669A1
Application number: DE19752533669
Authority: DE
Inventors: Charles M Jones; Hai Wu
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1974-08-02
Filing date: 1975-07-28
Publication date: 1976-02-19
Also published as: DE2533669C2; JPS5139307A; GB1491127A; JPS5820367B2; CA1029621A; US3955362A

Description

Verfahren und Einrichtung zum Regeln der Auspuffemissionen einer Verbrennungskraftmaschine.

Im Hinblick auf die neueren, sehr strengen Vorschriften zur Reinhaltung der Luft wurde neuerdings die Erkenntnis gewonnen, daß in Verbindung mit der Forderung nach einer Verringerung des Gewichts von Personenkraftwagen zur damit möglichen Verringerung des Brennstoffverbrauchs die in den Auspuffgasen einer Verbrennungskraftmaschine enthaltene Restwärme eigentlich stärker konserviert werden müßte, um damit nicht nur insgesamt einen höheren wirtschaftlichen Nutzeffekt zu erhalten sondern um damit auch und insbesondere die Menge an Schad-

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stoffen zu reduzieren, die gewöhnlich in den Auspuffgasen enthalten sind. Hierbei kann ganz allgemein davon ausgegangen werden, daß die Auspuffgase auf ihrem Weg von der Verbrennungszone bis zum Ausstoß in die Umgebungsatmosphare doch einen ganz beträchtlichen Wärmeverlust erleiden, was besonders dort sehr nachteilig sein kann, wo sog. thermische Reaktoren eingesetzt sind, die bekanntlich hohe Gastemperaturen erfordern, um der ihnen auferlegten Aufgabe zur Umwandlung des schädlichen Kohlenmonoxyds in unschädliches Kohlendioxyd gerecht zu werden.

An Versuchen, den hohen Wärmegehalt der Auspuffgase einer Verbrennungskraftmaschine zu erhalten, um damit insbesondere den Wirkungsgrad solcher thermischer Reaktoren zu fördern, hat es bis jetzt nicht gefehlt. Diese Versuche beschränkten sich ausschließlich auf den Einsatz von Isolatoren, die an einer bezüglich der Reaktoren stromaufwärts gelegenen Stelle einen Wärmeverlust durch die den Strömungsweg der Auspuffgase begrenzenden Kanalwände hindurch verhindern sollten. Abgesehen davon, daß solche Isolatoren besonders dann eine aufwendigere Fertigung verursachten, wenn sie als mit den Kanalwänden einstückige Gußkörper ausgeführt waren, hat sich dabei als nachteilig erwiesen, daß diese Isolatoren zur Erzeugung von Heißstellen neigten, die dann leicht Fehlzündungen auslösen konnten. Solche Wärmeisolatoren haben daher bis heute noch keine befriedigenden Ergebnisse gebracht.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein so gestaltetes Verfahren und eine Einrichtung zum Regeln der Auspuffemissionen einer Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, daß es damit auf einfachere Art und Weise möglich ist, die in den Auspuffgasen enthaltene Wärme ohne Benutzung besonderer Isolatoren stärker zu konservieren.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die Verbrennungskammer der Maschine ein zweiphasiges Brenngemisch eingebracht wird, bei dem die eine Phase eine relativ fette und die andere Phase eine relativ magere Brennstoffkomponente hat zur Erzeugung eines mittleren Luft-Brennstoff -Verhältnisses der beiden Phasen von etwa 17 bis 20 : 1 bei Teillast und von etwa 14 : 1 bei Vollast, daß nach dem Verdichten dieses Gemisches dessen Verbrennung in der fetten Phase eingeleitet wird und daß die aus der Verbrennung resultierenden Auspuffgase über einen sich unmittelbar an die Brennkammer anschließenden Auslaßkanal abgeleitet werden, der wenigstens in der Nähe seiner Innenwand zur Aufrechterhaltung einer zusammenhängenden, laminaren Gasströmung mit wenigen bis überhaupt keinen örtlichen Wirbelbildungen u.dgl. ausgebildet ist.

Es wird damit eine praktisch selbstreinigende Wirkung der Auspuffgase erreicht, weil infolge der laminaren Gasströmung der konvektive Wärmeübergangskoeffizient ziemlich klein und damit andererseits der Wärmegehalt der Auspuffgase entsprechend hoch gehalten werden kann, so daß infolge dieser höheren Temperaturen der Auspuffgase besonders das in diesen enthaltene Kohlenmonoxyd mit dem Sauerstoffanteil zur Reaktion gebracht werden kann. Diese chemische Reaktion, die also die Bildung des unschädlichen Kohlendioxyd zur Folge hat, kann einrichtungsmäßig mittels eines einfachen Einsatzkörpers erreicht werden, der dabei vorzugsweise so gestaltet ist, daß für die Gasströmung entlang des für die Bildung von Turbulenzen kritischen Wandungsbereiches eine Reynold'sehe Zahl von weniger als 2500 erhalten wird, womit andererseits eine Temperaturerhöhung der Auspuffgase an einer Stelle unmittelbar vor dem Ausstoß in die Umgebungsatmosphäre von wenigstens etwa JO⁰C infolge einer dadurch verringerten konvektiven und konduktiven Wärmeabgabe erreichbar ist.

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Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung sind in den einzelnen Unteransprüchen erfaßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine weitgehend schematisierte Schnittdarstellung einer Verbrennungskraftmaschine in der Umgebung einer Brennkammer mit daran angeschlossenem Ansaug- und Auspuffkanal, wobei letzterer Verbindung hat mit einem thermischen Reaktor, der im Auspuffrohr der Maschine angeordnet und stromaufwärts von welchem die erfindungsgemäße Regeleinrichtung angeordnet ist,

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab die erfindungswesentliche Einzelheit bei der Maschine gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie J> - 3 in Fig. 2,

Fig. 4 bis 6 der Fig. 5 entsprechende Querschnitte alternativer AusfUhrungsformen der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung,

Fig. 7 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittdarstellung einer anderen Bauart einer Hubkolbenmaschine,

Fig. 8 ein Schaubild zur Veranschaulichung des vom Luft-Brennstoff -Verhältnis abhängigen Anteils der verschiedenen Bestandteile der Auspuffgase einer Verbrennungskraftmaschine,

Fig. 9 eine den Fig. 1 und 7 entsprechende Schemadarstellung einer Drehkolbenmaschine, bei der ebenfalls die vorliegende Erfindung verwirklicht ist,

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FIg. 10 einen Längsschnitt durch die Drehkolbenmaschine gemäß Flg. 9,

Fig. 11 in vergrößertem Maßstab eine Perspektivdarstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung,

Fig. 12 eine abgewandelte Ausführungsform der Drehkolbenmaschine gemäß Fig. 9 und

Fig. 13 eine Schnittansicht nach der Linie I3 - IJ in Fig.

Wie aus den einleitenden Ausführungen bereits hervorgeht, ist die vorliegende Erfindung auf die Verringerung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen ausgerichtet, wobei besonders der Anwendungsfall interessiert, wo im Auspuffrohr solcher Verbrennungskraftmaschinen ein derselben Zielsetzung dienlicher thermischer Reaktor angeordnet ist. In der Verfolgung dieses Zieles kommt es besonders darauf an, daß die Wärmeableitung durch die Wände hindurch, welche den Strömungsweg der Auspuffgase stromabwärts von dem Auslaßventil der Brennkammer begrenzen, möglichst gering gehalten wird, und daß weiterhin der Verbrennungsablauf so gesteuert wird, daß an dieser Stelle ein Überschuß an Sauerstoff vorherrscht, damit die erwähnte selbstreinigende Wirkung der Auspuffgase optimal erreichbar ist. Eine diese Zielrichtung berücksichtigende Verbrennungskraftmaschine 10 ist in Fig. 1 schematisch in einem Ausschnitt dargestellt, der einen Zylinder 11 und einen darin linear beweglichen Kolben 12 zeigt, der über ein Pleuel 13 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden ist. An den Zylinder 11 ist ein primärer Ansaugkanal I5 angeschlossen, über den eine magere Phase des Brenngemisches zur Ansaugung kommt, die von einem üblichen Vergaser 14 bereitgestellt wird. Weiterhin Ist an den Zylinder 11 bzw. genauer an die

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durch diesen und den Kolben 12 begrenzte Brennkammer 8 ein weiterer Zuleitungskanal 7 für eine fette Phase des Brenngemisches angeschlossen, womit also in der Brennkammer 8 eine geschichtete Ladung erzeugt wird. Diese geschichtete Ladung kann auch dadurch erhalten werden, daß über den Zuleitungskanal 7 lediglich Brennstoff zugeführt wird, der dann die in der Brennkammer 8 enthaltene magere Phase des Brenngemisches örtlich anreichert. Von der Brennkammer 8 abgezweigt ist ein relativ kurzer Auslaßkanal 16, der vor seiner am Maschinenblock ausgebildeten Mündung 24 eine definierte Länge 23 hat, die der Aufnahme der erfindungsgemäß als Einsatzkörper ausgebildeten Regeleinrichtung dient. Im übrigen ist der Ansaugkanal 15 mit dem üblichen Einlaßventil 19 und der Auslaßkanal 16 mit dem üblichen Auslaßventil 20 ausgerüstet, die durch eine übliche Kipphebelanordnung steuerbar sind.

An den Auslaßkanal 16 ist über ein Verbindungsrohr 27 ein üblicher thermischer Reaktor 25 angeschlossen, anstelle von welchem auch ein katalytischer Wandler vorgesehen sein könnte. In einer Innenkammer 28 dieses thermischen Reaktors werden die zugeleiteten Auspuffgase in eine ziemlich starke Wirbelbewegung versetzt, wodurch in Abhängigkeit von der Aufenthaltszeit der Auspuffgase in dieser Wirbelkammer eine gewisse Menge der in den Auspuffgasen enthaltenen Schadstoffe mehr oder weniger, stark oxydiert werden. Zur Unterstützung dieser Oxydation wird dem Reaktor 25 zusätzliche Luft oder Sauerstoff über eine öffnung zugeleitet, die entweder unmittelbar am Ende des Auslaßkanals 16 ausgebildet ist oder an einer anderen beliebigen Stelle des Verbindungsrohres 27. Die Wirbelkammer 28 hat ihrerseits mit einer Außenkammer 32 Verbindung,. von der dann die Auspuffgase nach einer genügenden Aufenthaltszeit in dem Reaktor über das übliche Auspuffrohr 30 in die Umgebungsatmosphäre ausgestoßen werden. Der

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thermische Reaktor 25 ist im übrigen mit einer geeigneten Wärmeisolierung versehen, damit die ihm zugeführten Auspuffgase keinen übermäßigen Warmeverlust erfahren, der dann der chemischen Reaktivität Abbruch leisten würde.

Die Erzeugung einer geschichteten Ladung in der Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine ist an sich bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist jedoch von besonderer Wichtigkeit, daß die Schichtung der Ladung während des Verdichtungshubes des Kolbens so gesteuert wird, daß eine zweiphasige Verbrennung erhalten wird, die auf ein mittleres Luft-Brennstoff-Verhältnis der beiden Phasen von etwa I7 bis 20 : 1 bei Teillast und von etwa 14 : 1 bei Vollast eingestellt ist. Dabei kann auf die mit Ausnahme des Vollastbetriebes bei den bekannten Verbrennungsabläufen mit einer geschichteten Ladung vorgesehene Rezirkulation der Auspuffgase ohne weiteres verzichtet werden, wobei unter Hinweis auf die Fig. 8 noch folgende Aussagen zu dem Verbrennungsablauf einer solchen geschichteten Ladung interessant erscheinen.

Es kann davon ausgegangen werden, daß in allen bekannten Fällen bei einem solchen Verbrennungsablauf mit einer geschichteten Ladung, der gewöhnlich auch als programmierter Verbrennungsprozeß bezeichnet wird, der Anteil an unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Auspuffgasen ausweislich der Kurve JO in Fig. 8 relativ niedrig ist. Ähnlich niedrig ist der Anteil an Stickstoffoxyden, was durch die Kurve 3I ausgewiesen wird. Der Anteil an Kohlenmonoxyd, obwohl relativ gesehen an sich doch ziemlich niedrig, ist dagegen ausweislich der Kurve 32 wesentlich höher als es in der Regel durch die einschlägigen Gesetzesvorschriften als zulässig vorgeschrieben ist. Sofern kein solcher programmierter Verbrennungsprozeß vorliegt, kann es andererseits bei einem fetten Verbrennungsablauf dazu kommen, daß das durch die Kurve 33 ausgewiesene

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Stickstoffoxyd und das durch die Kurve J>k ausgewiesene Kohlenmonoxyd in "vorteilhafter Weise so miteinander reagieren, daß es zu einer Verringerung dieser beiden Schadstoffanteile der Auspuffgase kommt, jedoch tritt dann der Nachteil auf, daß mangels genügendem Sauerstoff keine Oxydation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des restlichen Kohlenmonoxyds stattfindet. Nur in der unmittelbaren Umgebung des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses existiert die Möglichkeit, daß dann auch nahezu alle unverbrannten Kohlenwasserstoffe und nahezu alles restliche Kohlenmonoxyd oxydiert und gleichzeitig die Stickstoffoxyde reduziert werden. Bis heute ist es technisch jedoch noch nicht möglich, eine Verbrennungskraftmaschine so auszubilden und arbeiten zu lassen, daß der Verbrennungsablauf nur in diesem unmittelbaren Bereich des stöchiometrischen Mischungsverhältnisses stattfindet. Dabei soll noch ergänzend darauf hingewiesen werden, daß unter mageren Bedingungen zwar genügend Sauerstoff vorhanden wäre, um auch die unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu oxydieren, jedoch ist dann nicht genügend Kohlenmonoxyd vorhanden, um eine Reaktion mit den Stickstoffoxyden herbeizuführen. Ein Ausweg könnte hierbei ein Verbrennungsablauf im sog. ultramageren Bereich mit einem Mischungsverhältnis von etwa 20 bis 21 : 1 bilden, weil dabei dann anfangs nur wenig Stickstoffoxyd und wenig Kohlenmonoxyd bei gleichzeitig genügend vorhandenem Sauerstoff zur Oxydation der Kohlenwasserstoffe vorhanden ist, jedoch ist auch diesbezüglich die Technik noch nicht so weit vorangeschritten, daß bei solchen ultramageren Mischungsverhältnissen ein vertretbarer Wirkungsgrad der Maschine erreicht werden könnte.

Unter Berücksichtigung der vorstehenden Hinweise ist das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung darin erkennbar, daß es infolge der diesbezüglich gewonnenen Erkenntnisse

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möglich erscheint, einen solchen programmierten Verbrennungsprozeß hinsichtlich seines thermischen und chemischen Verhaltens so ablaufen zu lassen, daß die Auspuffgase eine Selbstreinigung erfahren. Dabei setzt diese Selbstreinigung nicht unbedingt die Anwesenheit auch eines thermischen Reaktors bzw. eines damit gleichwertigen katalytischen Wandlers voraus, denn wird der eigentliche Verbrennungsablauf mit den angegebenen Werten des Mischungsverhältnisses der beiden Phasen durchgeführt, dann ist in den Auspuffgasen noch so ausreichend Sauerstoff enthalten, daß damit alle unverbrannten Kohlenwasserstoffe gleich zu Anfang oxydiert werden können, also dort, wo die Auspuffgase aus der Brennkammer in den Auslaßkanal ausgestoßen werden. An diese Stelle haben die Auspuffgase eine Temperatur von gewöhnlich etwa 715 bis 76O⁰C, wobei noch gilt, daß der Anteil von Kohlenmonoxyd und Stickstoffoxyden unter normalen Pahrbedingungen zulässige niedrige Werte hat, die aber bei jeder Beschleunigung das zulässige Maß zum Teil beträchtlich übersteigen können. Gemäß ihrem Hauptmerkmal setzt nun die vorliegende Erfindung gerade dort an, indem praktisch ein so zu bezeichnender Temperatur-Katalysator bereitgestellt wird, der eine Reaktion gemäß der folgenden Gleichung ermöglicht: 2 NO + 2 CO = N₂ + 2 CO₂

In Übereinstimmung mit dieser Gleichung wird erfindungsgemäß also der Anteil an Kohlenmonoxyd in den Auspuffgasen weitgehend reduziert wenn nicht völlig beseitigt und gleichzeitig wird der Anteil an Stickstoffoxyden auf weniger als die Hälfte reduziert. Dabei ist es von größter Wichtigkeit, daß die Auspuffgase eine Temperatur von wenigstens etwa 76O⁰C haben, welcher Wert auf etwa 790 bis 830⁰C angehoben v/erden sollte, sofern ein thermischer Reaktor vorhanden ist. Diese hohe Temperatur stellt dann bei gleichzeitig genügend vorhandenem Sauerstoff sicher, daß die erwähnte Selbstrei-

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nigung der Auspuffgase stattfindet, so daß praktisch keine Schadstoffe mehr in die Umgebungsatmosphäre ausgestoßen werden.

Damit genügend Sauerstoff anwesend ist, muß das Luft-Brennstoff-Verhältnis der beiden Phasen auf einen Wert von" etwa 17 bis 20 : 1 bei Teillast eingestellt sein. Hierbei gilt dann, daß das in den Auspuffgasen anwesende Kohlenmonoxyd vorrangig auf die relativ fette Phase des Brenngemisches zurückzuführen ist, wobei die größte Menge des von dieser fetten Phase erzeugten Kohlenmonoxyds aber bereits innerhalb des Zylinders bzw. der Brennkammer während des Verbrennens der anderen relativ mageren Phase oxydiert wird. Dennoch kann davon ausgegangen werden, daß etwa 0,2 bis 1,0 Mol-# des Kohlenmonoxyds in den Auspuffgasen zurückbleiben, was hauptsächlich auf ein unzureichendes Vermischen der verschiedenen Komponenten zu dem Zeitpunkt zurückzuführen ist, wenn die Temperatur noch so hoch ist, daß durch sie eine Oxydation auch dieser Restmenge des Kohlenmonoxyds bewirkt werden könnte. Für das vorgenannte Mischungsverhältnis kann weiterhin davon ausgegangen werden, daß dabei dann die Oxydation der Kohlenwasserstoffe und die Reaktion zwischen den Stickstoffoxyden und dem Kohlenmonoxyd praktisch gleichzeitig stattfinden. Gewöhnlich sind die Stickstof foxyde und das Kohlenmonoxyd zu etwa 0,9 bzw. 13 g je 1,6 km in den Auspuffgasen enthalten, sofern nicht der Temperatur-Katalysator gemäß der vorliegenden Erfindung verwirklicht ist. Ist dieser Temperatur-Katalysator hingegen vorhanden, dann kann der Gehalt an Kohlenmonoxyd immerhin auf den vernachlässlgbar kleinen Wert von etwa 0,5 g je 1,6 km und der Anteil an Stickstoffoxyden auf etwa 0,4 g je 1,6 km verringert werden. Sofern in den Auspuffgasen ein höherer Anteil an Kohlenmonoxyd enthalten ist, kann die Reduzierung der Stickstoffoxyde noch weiter gesteigert werden. Eine

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weitere Steigerung dabei auch der Reduzierung des Kohlenmonoxyds kann auch noch durch eine Veränderung der Zündzeitpunkt-Verstellung erreicht werden, wie im übrigen auch durch eine Veränderung der Einspritzzeit für den Brennstoff.

Nach den Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung kann es als feststehend angesehen werden, daß es über eine Beeinflussung des Strömungsbildes der Auspuffgase zwischen den Stellen A und B, also zwischen dem Ort, an welchem die Auspufjgase die Brennkammer verlassen, und dem Ort, an welchem die Auspuffgase zu einem späteren Zeitpunkt den Maschinenblock verlassen, möglich ist, die Wärmeableitung über die umgebende Wand des Strömungskanals 33 zu beeinflussen. Dieser Kanalabschnitt 33 zwischen den Stellen A und B ist bei allen bis jetzt bekannten Verbrennungskraftmaschinen ohne besondere Beachtung geblieben, wobei nähere Untersuchungen im Vorfeld der vorliegenden Erfindung gezeigt haben, daß in diesem Kanalabschnitt, der meistens gekrümmt ausgeführt ist, örtlich ziemlich starke Turbulenzen auftreten, und zwar insbesondere in der Grenzschicht zwischen der zentralen Hauptströmung, die durch den Pfeil 3²I- in Fig. 2 verdeutlicht ist, und der wandnahen Randströmung. Solche örtlichen Turbulenzen sind aber nach den Erkenntnissen der vorliegenden Erfindung in verstärktem Maße dazu geeignet, zu einer beträchtlichen Temperaturverringerung beizutragen, weil sie praktisch die wandnahe Randströmung aufreißen und damit die Wärmeableitung durch die umgebende Wand begünstigen.

Das Auftreten soMier örtlicher Turbulenzen kann nun auf einfachste Weise dadurch unterbunden werden, daß in diesen Kanalabschnitt 33 ein Einsatzkörper 35 eingesteckt wird, der eine zur Erzielung einer Reynold'sehen Zahl von weniger als 2300 ausreichende Ausbildung hat. Bei diesem Wert der

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Reynold'sehen Zahl liegt eine zumindest weitgehend laminare Strömung vor, bei der also in Übereinstimmung mit der diesbezüglichen Definition keine Wirbelbildungen möglich sind. Eine laminare Strömung der Auspuffgase kann so beispielsweise mit einem Einsatzkörper erhalten werden, der die Auspuffgase in eine Vielzahl von Teilströmen aufteilt, wobei es dann gleichzeitig über die Bemessung dieser Teilströme möglich ist, für die Konservierung der Wärme optimale Grenzbedingungen zu schaffen.

Solche optimalen Grenzbedingungen liegen beispielsweise bei dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Einsatzkörper 35 vor, der aus mehreren konzentrisch angeordneten Hülsen J>6, 37 aus Blech oder keramischem Material besteht, welche durch radial ausgerichtete Stege 38* 39 ^auf Abstand zueinander gehalten sind. Bei den zwei gezeigten Hülsen 36, 37 sollte dabei der durch die äußere Hülse J>6~ und die umgebende Wand des Kanalabschnittes 35 begrenzte Ringschlitz 40 eine radiale Abmessung in der Größenordnung von etwa 10 bis 13^ des Radll des Kanalabschnittes 33 haben, während andererseits der von den beiden Hülsen 36 und 37 begrenzte Ringschlitz 41 eine radiale Abmessung von etwa 18 bis 25$ desselben Radii haben sollte. Der zentrale Strömungskanal 42 sollte anders als die mit den Stegen 38 und 39 unterbrochenen Ringschlitze 40 und 41 überhaupt keine Unterbrechung haben, so daß hier eine völlig ungehinderte Durchströmung stattfinden kann. Die Hülsen 36, 37 sollten eine kleinstmögliche Dicke haben und sind beispielsweise ß,5 mm dick bei einer Ausbildung aus Blech und 1,3 mm dick bei einer Ausbildung aus einem keramischem Material. Die Stege 38, 39 können entweder jeweils über die gesamte Länge des Einsatzkörpers 35 reichen, oder sie können entlang desselben auch nur abschnittsweise angeordnet sein, sofern damit der Einsatzkörper, der eine Länge 23 von beispielsweise etwa

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75 mm haben kann, noch eine ausreichende Festigkeit hat. Zu der Ausbildung dieses Einsatzkörpers sollte noch besonders darauf hingewiesen werden, daß er nur über die einen Stege 38 mit der umgebenden Wand des Kanalabschnittes 33 in Berührung steht, womit eine zu der Aufteilung in die verschiedenen Teilströme zusätzliche Hilfsmaßnahme geschaffen ist, um die Wärmeableitung auf ein optimales Minimum zu reduzieren. Infolge der Anordnung dieser Stege 38 werden also zusätzliche laminare Grenzströmungen an der äußeren Oberfläche der äußeren Hülse 36 und entlang der Innenwand des Kanalabschnittes 33 erzeugt, die erheblich dazu beitragen, die in den Auspuffgasen enthaltene Wärme zu konservieren. Der Einsatzkörper dieser Ausbildung ist im übrigen noch unter dem Gesichtspunkt äußerst vorteilhaft, daß er nur einen minimalen bis überhaupt keinen Rückdruck auf die ihm zuströmenden Auspuffgase ausübt, was in diesem Zusammenhang ebenfalls von größter Wichtigkeit ist. Im übrigen gilt noch, daß der wandnahe Ringkanal 40 auch"luftdicht abgeschlossen sein kann, was aber nach entsprechenden Untersuchungen zu keiner Steigerung der Wärmekonservierung beiträgt.

Mit dem vorbeschriebenen Einsatzkörper 35 kann erreicht werden, daß die Auspuffgase an der. Stelle B noch eine Temperatur von etwa 79O⁰C haben, was ausreichend ist, um die gewünschten chemischen Reaktionen der Sohadstoffanteile so weit zu fördern, daß die angestrebte Selbstreinigung erreicht wird. Dabei ist es nicht erforderlich, eine nennenswerte Kühlung des Maschinenblocks insbesondere in der Nähe des Auslaßventils 20 vorzunehmen, was andererseits bedeutet, daß an dem Auslaßventil weniger Heißstellen auftreten, so daß die entsprechende Ventilführung ohne die Gefahr eines Verwerfens gegossen werden kann. Unter Benutzung einschlägiger Berechnungsformeln kann dabei gleichzeitig nachge-

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wiesen werden, daß beispielsweise bei einer Achtzylinder-Maschine, die mit einer Drehzahl von 4000 U/min arbeitet, bei Verwendung eines solchen Einsatzkörpers eine Verringerung des Wärmeableitungs-Koeffizienten um bis zu 50$ erhalten wird, wobei gleichzeitig der von diesem Einsatzkörper ausgehende RUckdruck vernachlässigbar klein ist.

Bei der in Fig. 4 gezeigten alternativen Ausführungsform eines solchen Einsatzkörpers ist eine spiralgewundene Einlage 43 ebenfalls aus Blech oder einem keramischen Material verwirklicht, wobei zwischen den einzelnen Windungen eine wellenförmige Stegeinlage 44 angeordnet ist, die also ebenfalls dem spiralförmigen Verlauf der Einlage 4j5 folgt und dieselbe Länge 23 wie diese aufweist. Im übrigen ist auch bei diesem Einsatzkörper ein zentraler"Durchströmkanal 45 geschaffen, der frei von jeglichen Hindernissen ist, wobei im übrigen bei 43a angedeutet ist, daß dieser Zentralkanal keine Verbindung mit dem Zwischenraum zwischen den einzelnen Windungen der Einlage 43 hat, weil dort die wellenförmige Stegeinlage 44 an die zugeordneten innersten Windungen der Einlage 43 angelötet bzw. angeschweißt ist. Bei diesem Einsatzkörper wird durch die wellenförmige Stegeinlage 44 eine Vielzahl von überaus kleinen Strömungskanälen geschaffen, welche den Hauptstrom der Auspuffgase unterteilen, so daß es auch hier zu der angestrebten laminaren Strömung kommt.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform ist ein waben- bzw. netzförmiger Querschnitt des Einsatzkörpers verwirklicht, indem hierbei die die einzelnen Strömungskanäle begrenzenden Wände 46 rechtwinklig zueinander angeordnet sind, also jeder einzelne Strömungskanal einen vierkantigen Querschnitt hat. Einen solchen vierkantigen Querschnitt hat auoh der zentrale Strömungskanal, der auch hier wiederum

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wesentlich größer "bemessen ist als alle übrigen Strömungskanäle, von denen im übrigen diejenigen nahe der Wand des Kanalabschnitts 33 zu der Wand hin offen sind. Bei diesen offenen Strömungskanälen berühren also die zugeordneten Begrenzungswände die Wand des Kanalabschnitts, womit ähnlich der AusfUhrungsform gemäß den Fig. 2 und 3 gleichzeitig eine Maßnahme zur Zentrierung dieses Einsatzkörpers in dem Kanalabschnitt 33 geschaffen ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist schließlich eine Einlage 47 verwirklicht, die aus parallelen und über wellenförmige Stege 48 untereinander verbundenen Schichten besteht, welche entlang einer jeweiligen Sehne des kreisförmigen Querschnittes des Kanalabschnitts 33 verlaufen. Auch hier werden also wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 durch die wellenförmigen Stege 48 eine Vielzahl von Strömungskanälen bereitgestellt, von denen aber wegen der Verteilung über den gesamten Querschnitt und wegen des folglich nicht vorhandenen Zentralkanals mit größerem Querschnitt ein größerer Rückdruck alsbei den übrigen Einsatzkörpern ausgeht.

Die in Fig. 7 skizzierte Verbrennungskraftmaschine ist so ausgeführt, daß mit ihr ein Verbrennungsablauf durchführbar ist, bei dem in den Auspuffgasen ein größerer Überschuß an Sauerstoff erhalten wird. Sofern die Maschine mit derjenigen gemäß Fig. 1 identische Bauteile hat, sind diese mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß sie in diesem Zusammenhang nicht nochmals beschrieben werden müssen. Während über den Ansaugkanal 15 ein durch den Vergaser 14 ermöglichtes mageres Brenngemisch zur Ansaugung kommt, ist für die Ansaugung der demgegenüber fetten Phase des Brenngemisches ein weiterer Vergaser vorgesehen, der an eine kleine Vorkammer 54 angeschlossen ist, in deren zylindrischer Wand 55 die durch ein Ventil 52 gesteuerte Einlaß-

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öffnung 53 ausgebildet ist. Der betreffende Kipphebel zur Betätigung des Ventils 52 ist mit demjenigen' zur Betätigung des Einlaßventils I9 in geeigneter Weise gekoppelt, was bei 50 angedeutet ist. In die Vorkammer 54 steht ausserdem noch eine Zündkerze 5¹ vor, so daß hier anders als bei der Maschine gemäß Pig. 1, wo in der Brennkammer 8 gezündet wird, die Zündung in dieser Vorkammer 54 stattfindet. Wegen der Pettheit des Gemisches, das in dieser Vorkammer 54 gezündet wird, läuft dessen Verbrennung ziemlich rasch und intensiv ab, wobei es zur Ausbildung einer Art Fackel kommt, die dann über eine in die Brennkammer 8 vorstehende Düse 56 die magere Gemischkomponente entzündet, die über den Ansaugkanal I5 der Brennkammer 8 zugeströmt ist, Wegen des raschen Verbrennungsablaufs in der Vorkammer 54 wird nur wenig Kohlenmonoxyd gebildet. Well die Temperatur doch ziemlich stark abfällt, während sich die Zündflamme aus der Vorkammer 54 in die Hauptkammer 8 ausbreitet, ist auch die Bildung von Kohlenwasserstoffen gering ebenso wie die Bildung von Stlokstoffoxyden. Dabei gilt für die Verhältnisse einer Viertaktmaschine im besonderen, daß hier beim Ansaughub beide Phasen des Brenngemisches gleichzeitig in die Vorkammer 54 bzw. die Hauptkammer 8 angesaugt werden. Wenn dabei eine kleine Menge der fetten Phase über die Düse 56 auch in die Hauptkammer 8 einströmt, so ist dies nicht weiter tragisch, weil es jederzeit gelingt, beim Verdichtungshub diese Menge wieder zurück in die Vorkammer 54 zu drängen, so daß ausschließlich dort die Initialzündung stattfindet. Damit dieses Zurückdrängen gefördert wird, sollte der Zylinder 11 etwas unsymmetrisch ausgebildet werden. Im übrigen muß hinsichtlich der Anordnung der Zündkerze 51 noch darauf geachtet werden, daß sie nicht durch die fette Phase des Brenngemisches verschmutzt werden kann, wofür es beispielsweise ausreicht, die Zündkerze in einer entsprechend ausgebildeten Aussparung anzuordnen. Damit bei

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dieser Ausbildung der Verbrennungskraftmaschine in den Auspuffgasen ein Sauerstoffüberschuß vorherrscht, sollte die Vorkammer 54 wesentlich kleiner sein als die Hauptkammer 8 und beispielsweise nicht mehr als etwa 10$ derselben betragen. Weiterhin sollte die Düse 56 oder ein dazu äquivalentes Bauteil so ausgebildet sein, daß davon nicht die auf dem Venturi-Prinzip beruhende Ansaugung der fetten Phase in die Vorkammer 54 beeinträchtigt wird, die im übrigen beispielsweise durch einen Wärmeaustausch mit den Auspuffgasen vorgewärmt werden kann, sofern gleichzeitig auch die magere Phase des Brenngemisches eine solche Vorwärmung erfährt.

Sofern die vorliegende Erfindung an einer Drehkolbenmaschine verwirklicht wird, kann dafür das in den Fig. 9 bis 1? angedeutete Konstruktionsprinzip angewendet werden. Es handelt sich hierbei um eine Drehkolbenmaschine mit den heute üblichen zwei Drehkolben, die innerhalb eines aus den fünf Teilen 61, 62, 6j>, 64 und 65 bestehenden Gehäuses 60 angeordnet sind. Diese Gehäuseteile umgrenzen zwei übliche epitrochoide Gehäusekammern 66 und 67, in welchen die beiden Drehkolben 68 angeordnet sind, welche die übliche Dreiecksform haben, so daß im Zusammenwirken mit der Wand dieser Kammern die übliche Vielzahl im Volumen veränderlicher Brennkammern gebildet wird. An jede dieser Kammern ist im übrigen ein Ansaugkanal 84 und ein Auslaßkanal 85 angeschlossen, die beide im wesentlichen geradlinig gebohrt sind, wobei aber der Auslaßkanal 85 an seinem inneren Ende konisch ausgebildet ist, damit er die richtige Größe an seiner der Brennkammer zugewandten Mündung hat. Auch hier ist an den Auslaßkanal 85 über ein Verbindungsrohr 76 ein thermischer Reaktor 70 angeschlossen, der wieder die innere Wirbelkammer 75 hat, die über eine Außenkammer 74 an das übliche Auspuffrohr 75 angeschlossen ist. In dem Auslaßkanal 85 ist ein Einsatzkörper 90 angeordnet, der die in Fig. 9 angedeutete Länge 77

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hat und im wesentlichen gleich ausgebildet ist wie der Einsatzkörper der anhand der Fig. 2 und 3 beschriebenen A us führungs form.

Um den Sauerstoffüberschuß in den Auspuffgasen zu steigern, ist hierbei noch zusätzlich vorgesehen, daß jeder der beiden Drehkolben 68 außer der üblichen Verdichtungstaschen 81 neben diesen eine jeweilige Einbuchtung 80 hat, so daß also in jeder sich zwischen zwei Ecken des Kolbens erstreckenden Oberfläche desselben zwei solche Aussparungen ausgebildet sind. Weiterhin ist hierbei vorgesehen, daß der Brennstoff unvermischt über eine Düse 83 zugeführt wird, und zwar an einer Stelle, wo jeweils eine der zusätzlich vorgesehenen Einbuchtungen bzw. Aussparungen 80 der Düse 83 gegenüberliegt. Diese Stellung ist in Fig. 9 festgehalten, aus der im übrigen hervorgeht, daß dann, wenn durch die Düse 83 Brennstoff in diese Aussparung 80 eingetragen wird, zu einem vorhergehenden Zeitpunkt bereits in die zugeordnete Verdichtungstasche 8l durch dieselbe Düse Brennstoff eingetragen worden ist. Die in dieser Tasche 8l eingefangene magere Phase ist folglich bei der Drehung des Kolbens 68 von der in der Aussparung 80 eingefangenen fetten Phase räumlich völlig abgetrennt, wodurch die Initialzündung der letzteren mittels der Zündkerze 82 ohne die Gefahr einer gleichzeitigen Zündung auch dieser mageren Phase durchgeführt werden kann. Der erfindungsgemäß angestrebte, zweistufige Verbrennungsablauf kann damit mit einer solchen Drehkolbenmaschine am sichersten durchgeführt werden, wobei man es über die Dimensionierung der Taschen 80 und 8l ohne weiteres in der Hand hat, den Sauerstoffüberschuß in den Auspuffgasen entsprechend zu steuern.

Alternativ ist es bei einer solchen Drehkolbenmaschine auch möglich, die beiden Phasen über die üblichen Ansaugkanäle

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zuzuleiten, wobei es dann allerdings zweckmäßig ist, für jede Kammer 66, 67 wenigstens zwei Ansaugkanäle vorzusehen, von denen der eine im umfangsseitigen Gehäuseteil und der andere in einem seitlichen Gehäuseteil ausgebildet sein kann. Die beiden Ansaugkanäle sollten dann einen so genügenden Abstand voneinander einhalten, daß bei der Drehung des Kolbens der eine Kanal langer geöffnet bleibt als der andere, so daß entsprechend unterschiedliche Gemischmengen und weiterhin unterschiedliche Gemischzusammensetzungen praktisch automatisch zur Ansaugung kommen, von denen die eine die fette und die andere die magere Phase darstellt. Letztere muß verzögert zur Ansaugung kommen, so daß die Initialzündung der ersteren sichergestellt ist. Ist dann die fette Phase gezündet, dann wird auch hierbei die magere Phase von dieser Zündung nachträglieh erfaßt, wie es bereits mehrfach beschrieben wurde.

In den Fig. 12 und I3 ist letztlich noch eine Ausbildung der Drehkolbenmaschine skizziert, bei der nicht unbedingt gleichzeitig ein thermischer Reaktor vorhanden sein muß, um dieselben vorteilhaften Werte wie bei den übrigen Maschinen zu erreichen. Bei dieser Maschine sind insgesamt zwei Vorkammern 100, 101 diametral gegenüberliegend ausgebildet, die über eine jeweilige öffnung 102, 103 mit der zugeordneten epitrochoiden Gehäusekammer in Verbindung stehen, um nach der erfolgten Zündung der von ihnen aufgenommenen fetten Phase des Brenngemisches mittels einer jeweiligen Zündkerze 106, 107 die magere Phase zu zünden, die über den üblichen Ansaugkanal 110 zugeleitet wird. Im übrigen sind auch hierbei die Drehkolben mit den Verdichtungstaschen 108 versehen, die dabei über seitliche Verbindungskanäle I09 mit den Vorkammern 100, 101 Verbindung haben, wenn der Drehkolben die in Fig. 12 festgehaltene Stellung einnimmt. Dabei ist in Fig. 12 nicht näher gezeigt, daß in dem Auslaßkanal

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111 ebenfalls ein Einsatzkörper angeordnet ist, wie es anhand der Fig. 9 beschrieben wurde.

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Claims

ZA

Ansprüche

11. ,Verfahren zum Regeln der Auspuffemissionen einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbrennungskammer der Maschine ein zweiphasiges Brenngemisch eingebracht wird, bei dem die eine Phase eine relativ fette und die andere Phase eine relativ magere Brennstoffkomponente hat zur Erzeugung eines mittleren Luft-Brennstoff-Verhältnisses der beiden Phasen von etwa 17 bis 20 : 1 bei Teillast und von etwa 14 : 1 bei Vollast, daß nach dem Verdichten dieses Gemisches dessen Verbrennung in der fetten Phase eingeleitet wird und daß die aus der Verbrennung resultierenden Auspuffgase über einen sich unmittelbar an die Brennkammer anschließenden Auslaßkanal abgeleitet werden, der wenigstens in der Nähe seiner Innenwand zur Aufrechterhaltung einer zusammenhängenden, laminaren Gasströmung mit wenigen bis überhaupt keinen örtlichen Wirbelbildungen u.dgl. ausgebildet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ magere Phase des Brenngemisches in die Verbrennungskammer der Maschine angesaugt und die relativ fette Phase dadurch innerhalb der Verbrennungskammer ausgebildet wird, daß die entsprechende Brennstoffmenge unvermischt in die Verbrennungskammer eingebracht wird.

J>. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ fette Phase des Brenngemisches in einer Vorkammer erzeugt wird, die über eine Art Flammdüse mit einer die relativ magere Phase des Brenngemisches aufnehmenden Hauptkammer zur zeitlich nachfolgenden Zündung dieser mageren Phase verbunden ist.

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4. Verfahren nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Drehkolbenmaschine die Vorkammer durch zusätzlich zu den üblichen Verdichtungstaschen an der Kolbenoberfläche vorgesehene Einbuchtungen bzw. Aussparungen geschaffen ist, in welche der Brennstoff wie in die Verdichtungstaschen unvermischt zeitlieh nachfolgend eingebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Drehkolbenmaschine die Vorkammer an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen der seitlichen Begrenzungswände der epitrochoiden Gehäusekammer ausgebildet ist.

6. Einrichtung zum Regeln der Auspuffemissionen einer Verbrennungskraftmaschine bei der Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen ltaLö 5* gekennzeichnet durch einen in den Auslaßkanal (33* 85, Hl) der Brennkammer (8) einsetzbaren und für eine Verringerung der Reynold'sehen Zahl der Gasströmung auf einen Wert von weniger als"2300 wenigstens in der Wandnähe eingerichteten Einsatzkörper (35)·

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Einsatzkörper (35) aus wenigstens zwei konzentrisch angeordneten Hülsen (36, 37) besteht, die durch radiale Stege (39) auf Abstand zueinander gehalten sind. (Fig. 2, 3)

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß an der äußeren Hülse (36) des Einsatzkörpers (35) weitere radiale Stege (36) für dessen Abstützung an der Innenwand des Auslaßkanals angeordnet sind.

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9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schaffung einer wandnahen Luftkammer der Einsatzkörper (35) für eine axiale Verschlußmöglichkeit des seine äußere Hülse (39) umgebenden Ringkanals (4o) eingerichtet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9* dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Hülse (36) für eine Anordnung in einem etwa einem Zehntel des Halbmessers des Auslaßkanals entsprechenden radialen Abstand zu der umgebenden Innenwand des Auslaßkanals angeordnet ist und ihr radialer Abstand zu der inneren Hülse (37) etwa einem Fünftel desselben Halbmessers entspricht.

11. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper aus einer längs der Achse des Auslaßkanals spiralgewundenen Einlage (43) besteht, zwischen deren einzelnen Windungen ein diese in radialer Richtung auf Abstand haltender wellenförmiger Steg (44) angeordnet ist. (Fig. 4)

12. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper einen waben- bzw. netzförmigen Querschnitt hat, bei dem die in Achsrichtung des Auslaßkanals ausgerichteten Strömungskanäle durch senkrecht zueinander angeordnete Wände (46) begrenzt sind. (Fig. 5)

13. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper aus einer parallelschichtigen Einlage besteht, deren einzelne Schichten (47) mittels wellenförmiger Stege (48) auf Abstand gehalten "sind. (Fig. 6)

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14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis IJ, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper aus Blech und/oder einem keramischen Material besteht.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Anordnung des Einsatzkörpers maßgebliche Länge des Außlaßkanals (33* 85, 111) wenigstens zweieinhalb mal so groß ist wie dessen Durchmesser nicht jedoch größer als der fünffache Wert desselben.

6 Π B B Π 8 / Π) 9 0 1