DE2559107C3

DE2559107C3 - Abgasnachverbrennungsanlage für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2559107C3
Application number: DE2559107A
Authority: DE
Inventors: Kaoru Taira
Original assignee: Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1975-02-27
Filing date: 1975-12-30
Publication date: 1981-05-21
Also published as: US3991566A; DE2559107A1; JPS5199722A; DE2559107B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abgasnachverbrennungsanlage für Brennkraftmaschinen gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist eine Abgasnachverbrennungsanlage dieser Art bekannt (DE-OS 21 29 527). In diesem bekannten Fall wird die Zusatzluft dem Abgas vor Eintritt in die Nachbrennkammer zugegeben und muß daher zur Vermeidung einer störenden Abkühlung des Abgases vorgewärmt werden. Im übrigen besteht bei Anlagen dieser Gattung die Gefahr einer Überhitzung des Ansauggemisches während der Hauptbetriebsphasen, da üblicherweise die Vorwärmkammer aus räumlichen Gründen und zur bestmöglichen Wärmenutzung insbesondere in der Anlaufbetriebsphase sehr nahe zum Reaktor liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abgasnachverbrennungsanlage zu schaffen, bei der in Betriebsphasen ohne Vorwärmung der Zusatzluft eine beschleunigte Erwärmung der Vorwärmkammer möglich ist und andererseits während der Hauptbetriebsphase eine Überhitzung der Vorwärmkammer durch die Abgase und/oder die Wärmestrahlung der Nachbrennkammer verhindert werden kann.

Diese Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Für den Fall des geschlossenen Ventils strömen hierbei die aus der Nachbrennkammer abströmenden, bereits nachverbrannten Abgase in die Vorwärmkammer, ohne daß sie vorher durch Zusatzluft gekühlt werden, so daß höhere Temperaturen für die Ansauggemischvorwärmung gegeben sind. Ist eine ausreichende Vorwärmung erreicht und wird dementsprechend das Ventil geöffnet, verlassen die Abgase unmittelbar die Nachbrennkammer, die dann über die Vorwärmkammer mit der Zusatzluft gespeist wird, wobei diese Zusatzluft eine kühlende Wirkung auf die Vorwärmkammer hat und auf diese Weise eine Überhitzung verhindert.

Eine Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus dem Uriteranspruch 2.

Es ist eine Abgasnachverbrennungsanlage für Brennkraftmaschinen bekannt (DE-OS 20 60 020), deren die Nachbrennkammer verlassendes Abgas mit Hilfe eines der Nachbrennkammer nachgeschalteten temperaturabhängig gesteuerten Ventils zeitweise unmittelbar und zeitweise über eine Sammelkammer zur Auspuffleitung ■> führbar ist, mit der Besonderheit, daß diese Sammelkammer über einen Bypasskanal stromab vom Ventil an die Auspuffleitung angeschlossen ist

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher

ίο erläutert

F i g. 1 eine schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Abgasnachverbrennungsanlage für Brennkraftmaschinen;

F i g. 2 einen Schnitt gemäß II-II in F i g. 1;

F i g. 3 einen Schnitt gemäß III-III in F i g. 2; und
F i g. 4 einen Schnitt gemäß IV-IV in F i g. 2.
Gemäß F i g. 1 befindet sich eine Abgasnachverbrennungsanlage 1 auf einer Seite eines Motorblocks 2 zwischen Abgasleitungen 3, 4, 5 und 6 sowie einer Auspuffleitung TE Die Anlage 1 besitzt ein im wesentlichen hohles, horizontales zylindrisches längliches, an den Enden geschlossenes Gehäuse 14, das aus einem Paar im wesentlichen halbzylindrischer Hälften, nämlich einer oberen Hälfte 14Λ und einer unteren Hälfte 14Ä, besteht, die mittels beliebiger herkömmlicher Mittel über eine Dichtung 40 miteinander verbunden sind, wie dies die F i g. 3 und 4 zeigen. Über ein in der Mitte der Unterseite der unteren Hälfte \AB ausgebildetes Anschlußstück 7 ist das Gehäuse 14 mit der nach unten verlaufenden Auspuffleitung TE verbunden. In der Mitte der Oberseite der oberen Hälfte 14/4 ist das Gehäuse 14 über eine Dichtung 33 ferner mit Ansaugleitungen 8,9,10,11 und 12 verbunden.

Im Gehäuse 14 befindet sich ein Einsatz 16, der eine Nachbrennkammer bildet und außen von einem thermisch isolierenden Mantel 15 umgeben ist. Oben an der Nachbrennkammer 16 sind zwei Verbindungsstücke in Form kurzer Rohre über Gleitringe 32 befestigt. Diese Verbindungsrohre 17 sind in Längsrichtung der Nachbrennkammer parallel nebeneinander angeordnet und verlaufen durch den Mantel 15 bis in das Innere der Nachbrennkammer 16. Wie aus F i g. 3 erkennbar ist, liegen die Achsen der Verbindungsrohre 17 in einer ungefähr die Längsachse der Nachbrennkammer 16 enthaltenden Ebene, wobei sie mit der vertikalen Mittelebene der Nachbrennkammer einen Neigungswinkel von ungefähr 30° einschließen. In der Mitte des Gehäuses 14 befindet sich auf einer Seite eine Trennwand 16Λ, die sich außen an den Mantel 15

so anschließt. Zwischen der Trennwand \%A und der gegenüberliegenden Seitenwand des Gehäuses 14 ist ein Bypasskanal 18 ausgebildet, der über die zwei Verbindungsrohre 17 mit dem Inneren der Nachbrennkammer 16 in Verbindung steht. Letztere hat die Form eines an seinen beiden Enden geschlossenen, in Horizontalrichtung länglichen Zylinders. In jedes Ende dieses Zylinders ist ein Gleitring 36 eingesetzt. Jeder dieser Gleitringe 36 trägt ein Abgaszuströmrohr ZA bzw. 6.4, das durch das Gehäuse 14 und den Mantel 15 in das Innere der Nachbrennkammer 16 verläuft. Zwischen dem Gehäuse 14 und dem Abgaszuströmrohr 3/4 bzw. 6Λ befindet sich jeweils eine Dichtung 34. Zwischen der Mitte der Nachbrennkammer 16 und deren entgegengesetzten Enden ist jeweils an ihrer Oberseite über einen Gleitring 32 ein Abgaszuströmrohr 4/4 bzw. 5A angebracht. Diese Rohre AA und 5/4 verlaufen durch - "n Mantel 15 und stehen jeweils in Verbindung mit den Abgasleitungen 4 und ,5, die an der Außenseite der

entsprechenden Abschnitte des Gehäuses ausgebildet sind. Außen an den entgegengesetzten Enden des Gehäuses 14 sind die Abgasleitungen 3 und 6 befestigt, die jeweils mit dem Abgaszuströmrohr 3A bzw. 6/4 in Verbindung stehen und von denen je(ie mit einer wärmeisolierenden Auskleidung 35 versehen ist. Die beiden übrigen Abgasleitungen 4 und 5 sind an den Abgaszuströmrohren 4/4 und SA entsprechenden Stellen der Außenwand des Gehäuses 14 einstückig angeformt und jeweils mit einer wärmeisolierenden ι ο Auskleidung 37 versehen. Die äußeren Enden der Abgasleitungen 4 und 6 sind mit entsprechenden Teilen des Motorblocks jeweils über eine Dichtung 38 (siehe F i g. 4) verbunden.

In der Mitte der Unterseite der Nachbrennkammer 16 befindet sich eine Abgasabströmöffnung 19, an die ein kurzes Abgasabströmrohr 21 befestigt ist, das mit einem Ventil 20 versehen ist und dessen unteres Ende im Anschlußstück 7 sitzt. Das Abgasabströmrohr 21 hat eine Öffnung 31, die in Verbindung mit dem 3y ρ asskanal 18 steht. Das Ventil 20 ist eine scheibenförmige Drosselklappe, die von einer Ventilwelle 22 getragen wird, deren inneres Ende im Abgasabströmrohr 21 gelagert ist und deren äußeres Ende vom Anschlußstück 7 getragen wird. An das äußere Ende der Ventilwelle 22 ist eine Bimetallvorrichtung 23 angeschlossen, mit der das Ventil 20 so betätigt wird, daß es weiter geöffnet wird, wenn die Temperatur im und nahe dem Anschlußstück 7 steigt Oberhalb der Verbindungsrohre 17 ist eine Zwischenwand 24 ausgebildet, die als Trennwand zwischen dem Bypasskanal 18 und einem Ansauggemischverteiler 13 dient Dies ermöglicht es.. Wärme von der Abgasnachverbrennungsanlage 1 über die Zwischenwand 24 an das Ansauggemisch im angrenzenden Ansauggemischverteiler 13 zu übertragen. Unmittelbar unterhalb der Zwischenwand 24 ist eine Zusatzluft-Einblasdüse 25 angeordnet und befestigt, die über eine Leitung 26, ein Dreiwegventil 29, Rückschlagventile 28A und 285 sowie über ein Rückschlagventil 28C einen Speicher 27 und ein Rückschlagventil 28Dmit einer Luftpumpe Pverbunden ist. Die Luftpumpe P wird von der Maschine angetrieben. Auf diese Weise kann von der Luftpumpe P und/oder dem Speicher 27, der von der Luftpumpe P gelieferte Druckluft speichert, Druckluft zur Einblasdüse 25 geliefert werden. Diese Zusatzluft wird entlang der Unterseite der Zwischenwand zu den Verbindungsrohren 17 geblasen. Vor den öffnungen am unteren Ende de;- Verbindungsrohre 17 befindet sich eine in einer zur Längsrichtung der Nachbrennkammer so 16 quer verlaufenden Schnittebene gekrümmte Leitplatte 30, die nach oben konvex ist und quer zu den gegenüberliegenden Innenseiten der Nachbrennkammer 16 in bestimmter Lage verläuft. Die Leitplatte 30 erstreckt sich über die gesamte Breite und ungofähr in Höhe von zwei Dritteln des Innendurchmessers der Nachbrennkammer 16. In Längsrichtung ist die Leitplatte 30 etwas länger als der Abstand zwischen den jeweiligen äußeren Rändern der Verbindungsrollire 17. Aufgrund der so angeordneten Leitplatte 30 wird die aus den Verbindungsrohren 17 austretende Zusatzluft von der Leitplatte 30 zu den entgegengesetzten Enden des Gehäuses 14 umgelenkt.

Die Abgaszuströmrohre 3Λ und 6Λ sind so angeordnet, daß ihre Längsmittellinien von den entgegengesetzten Stirnseiten der Nachbrennkammer 16 zur Mitte der Unterseite der Kammer 16 verlaufen und dabei um ungefähr 20° zur Längsmittellinie der Nachbrennkammer 16 nach unten geneigt sind. Die an der oberen Wand der Nachbrennkammer befestigten Abgaszuströmrohre 4A und 5A sind se angeordnet, daß sie von der Oberseite der Nachbrennkammer 16 senkrecht nach unten verlaufen und daß sie von den entgegengesetzten Enden der Nachbrennkammer 16 jeweils einen Abstand von ein Fünftel der Länge der Kammer haben. Die Mündungen 4B und 5B der Abgaszuströmrohre 4/4 und 5/4 iiegen in Ebenen, die zur Mitte der Unterseite des Gehäuses 14 hin geneigt sind. Jede dieser Ebenen enthält ungefähr auch die Längsmittellinien der benachbarten Abgaszuströmrohre 3/4 und 6A Die Längsmittellinie des Abgaszuströmrohres 4Λ schneidet die Längsmittellinie des Abgaszuströmrohres 3Λ, und die Längsmitiellinie des Abgaszuströmrohres 5/4 schneidet die Längsmittellinie des Abgaszuströmrohres 6A

Der Bypasskanal 18 verläuft in der Mitte des Gehäuses 14 hinter der Nachbrennkammer 16 von der Unterseite der Zwischenwand 24 zur öffnung 31 im Abgasabströmrohr 21 (siehe Fig.3). Die öffnung 3t befindet sich dicht neben dem Ventil 20 auf dessen stromab gelegener Seite. Wenn das Ventil 20 geschlossen ist, strömt das Abgas aus der Nachbrennkammer 16 durch die Verbindungsrohre 17 und den Bypasskanal 18 sowie die öffnung 31 in die Auspuffleitung.

Bei laufender Maschine wird das Abgas durch die jeweiligen Abgaszuströmrohre 3Λ, 4Λ, 5/4 und 6A aus den Abgasleitungen 3, 4,5 und 6 in die Nachbrennkammer 16 geleitet. Außerdem wird Zusatzluft unter Druck aus der Einblasdüse 25 zur Unterseite der Zwischenwand 24 geblasen.

Unmittelbar nach dem Anlassen der Maschine, d. h. wenn diese noch nicht erwärmt worden ist, ist das Ventil 20 geschlossen oder sehr wenig geöffnet Daher strömt das in die Nachbrennkammer 16 eingeleitete Abgas durch die Verbindungsrohre 17, den Bypasskanal 18 und die öffnung 31 zur stromab gelegenen Seite des Ventils 20, von wo es in die Auspuffleitung TE gelangt. In der Nachbrennkammer 16 werden die unverbrannten Kohlenv/asserstoffe und das Kohlenmonoxid im Abgas vom im Abgas verbliebenen Sauerstoff verbrannt, sofern die Temperatur des Gases über einem bestimmten Wert liegt. Bei geschlossenem Ventil 20 tritt die von der Einblasdüse 25 gelieferte Zusatzluft nicht in die Nachbrennkammer 16 ein. Vielmehr wird sie durch den Bypasskanal 18 und die öffnung 31 in die Auspuffleitung 7£ eingeleitet. Solange die Zusatzluft nicht in das Abgas der Nachbrennkammer 16 eingespeist wird, kann die Temperatur im Abgas der Nachbrennkammer 16 höher als ein bestimmter Wert gehalten werden. Andererseits wird das Abgas bzw. nachverbrannte Gas aus den Verbindungsrohren 17 so auf die Zwischenwand 24 gestrahlt, daß dadurch die Zwischenwand 24 erhitzt wird, so daß sie das angesaugte, durch den Verteiler 13 strömende Ansauggemisch erwärmt.

Haben sich die Nachverbrennungsanlage 1 und der Motorblock 2 erwärmt, wird die Bimetallvorrichtung 23 vom Motorblock 2 erwärmt, so daß die öffnung des Ventils 20 zunimmt. Dies hat zur Folge, daß das Abgas der Nachbrennkammer 16 aus der öffnung 19 zwischen dem Ventil 20 und der Innenwand des Anschlußstücks 7 zur Auspuffleitung TE strömt. Da die Ebenen der Öffnungen der Abgaszuströmrohre 4Λ und 5/4 jeweils so verlaufen, daß die Längsmittellinie des anderen Abgaszuströmrohres 3/4 bzw. 6/4 ungefähr in dieser Ebene liegt, und da diese Ebenen nach außen ansteigen, trifft sich jeweils der aus dem Abeaszuströmrohr AA

bzw. 5A austretende Gasstrom A 1 mit dem unteren Bereich des aus dem Abgaszuströmrohr 3/4 bzw. 6A austretenden Gasstroms A 2, so daß zwischen den Abgaszuströmrohren 3A und 4Λ ein Abgaswirbelstrom B erzeugt wird.

Die aus der Einblasdüse 25 eingeblasene Luft strömt dann durch die Ve; bindungsrohre 17 in die Nachbrennkammer 16 und trifft dort auf die Leitplatte 30, von der sie umgelenkt wird, so daß sie entlang der Leitplatte 30 zu den Abgaszuströmrohren 4A und 5A strömt, wie dies ι ο durch einen Pfeil C gezeigt ist. Eine entsprechende Strömung findet zum anderen Ende der Kammer statt. Zum Teil wird diese Luft mit dem Wirbelstrom B gemischt, und zum Teil trifft sie auf das Abgaszuströmrohr, wonach sie gleichmäßig mit dem Abgas gemischt wird, so daß sich eine Verbrennung der unverbrannten Bestandteile des Abgases, insbesondere unverbrannter Kohlenwasserstoffe und von Kohlenmonoxid, ergibt. Das Verbrennungsgas strömt dann zur Auspuffleitung 7 £, da das Ventil 20 geöffnet ist.

Obwohl Verbrennungswärme der unverbrannten Abgasbestandteile der Nachbrennkammer 16 durch Strahlung und Wärmeleitung zur Zwischenwand 24 übertragen wird, ist die Wärmeübertragung geringer, da zwischen der Zwischenwand 24 und der Nachbrennkammer 16 eine Schicht strömender Luft, die aus der Einblasdüse 25 kommt, ausgebildet ist. Demzufolge wird eine Überhitzung der Zwischenwand 24 und somit eine Überhitzung des durch den Verteiler 13 strömenden Ansauggemischs verhindert, so daß dadurch eine Verminderung der abgegebenen Leistung, Klopfen bei schneller Fahrt und Blockierung des Vergasers durch Dampf, verhindert werden können.

Obwohl während des Laufs der Maschine im Abgas Druckpulsationen auftreten, so daß auf die Luft in der Einblasdüse 25 kräftige Druckwellen wirken, kann das Abgas dennoch bei normalem Betrieb der Maschine nicht zur Einblasdüse 25 strömen, da das Abgas aus der Nachbrennkammer direkt in die Auspuffleitung TE abgelassen wird und da die Einblasdüse nicht direkt im Abgasstrom angeordnet ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abgasnachverbrennungsanlage für Brennkraftmaschinen, deren Nachbrennkammer auch mit Zusatzluft speisbar und deren die Nachbrennkammer verlassendes Abgas mit Hilfe eines der Nachbrennkammer nachgeschalteten temperaturabhängig gesteuerten Ventils zeitweise unmittelbar und zeitweise über eine Vorwärmkammer zur Ansauggemischvorwärmung zur Auspuffleitung führbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzluftzufuhr (Einblasdüse 25) in der Vorwärmkammer (41) vorgesehen ist und diese an ihrer Abgaszuströmseite unmittelbar an die Nachbrennkammer (16) angeschlossen und angebaut und abgasabströmseitig über einen Bypasskanal (18) stromab vom Ventil (20) an die Auspuffleitung (Anschlußstück 17) angeschlossen ist

2. Abgasnachverbrennungs^nlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwärmkammer (41) auf der Abgaszuströmseite innerhalb der Nachbrennkammer (16) eine Leitplatte (30) vorgeschaltet ist