DE2807641A1

DE2807641A1 - Auspuffgas-reinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2807641A1
Application number: DE19782807641
Authority: DE
Inventors: Toshifumi Nishimura; Kenji Yoneda
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1978-02-22
Publication date: 1978-08-31
Also published as: JPS5540338Y2; US4207738A; JPS53117818U

Description

TER MEER · MÜLLER · STEINMEISTER Ni SSan

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Auspuffgas-Reinigungsvorrichtung gemäß dein Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Erfindung befaßt sich im einzelnen mit einer Auspuffgas-Reinigungsvorrichtung für Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen, bei der der pulsierende Auspuffgasdruck zur Einleitung von Atmosphärenluft in das Auspuffsystem in der Maschine verwendet wird.

Brennkraftmaschinen mit Auspuffgas-Reinigungssystemen sind bekannt, bei denen in das Auspuff system Sekundärluft eingeleitet wird, die schädliche, brennbare Bestandteile verbrennt oder oxydiert, die sich in den Auspuffgasen der Maschine be·=· finden. Der Sekundärlufteintritt erfolgt mit Hilfe des negativen, pulsierenden Druckes der Auspuffgase in dem Auspuffsystem und/oder aufgrund des Ausstoßeffektes der Maschinen-Auspuffgase.

Für die Zufuhr einer ausreichenden Menge Sekundärluft und da= mit zur Unterstützung der Verbrennung der schädlichen Bestandteile in dem Auspuffsystem erfordern Systeme der genannten Art die Verwendung zahlreicher Sekundärluftrohre aufgrund des relativ geringen Strömungsdurchsatzes in den einzelnen Rohren. Durch die Verwendung dieser zahlreichen Sekundärluftrohre wird das System kompliziert und sperrig, so daß unvermeidlich eine fachmännische und sorgfältige Montage und hohe Herstellungskosten in Kauf zu nehmen sind»

Herkömmliche Auspuffgas-Reinigungssysteme haben weiterhin den Nachteil, daß aufgrund der Verwendung zahlreicher Sekundärluftrohre die Gefahr besteht, daß Sekundärluft in dem Auspuffsystem mit Auspuffgasen vermischt werden kann, die durch eine Rückleitung der Saugseite der Maschine zugeführt werden. Dadurch ergibt sich eine Abweichung von einem vorgegebenen Wert des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des der Maschine zugeführten

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Luft-Brennstoff-Gemisches, und daraus wiederum folgt ein instabiler Maschinenbetrieb und ein hoher Brennstoffverbrauch.

Außerdem führt eine Vermischung von Sekundärluft mit rückgeführten Auspuffgasen zu einer Erhöhung der Verbrennungstemperatur in den Maschinenzylindern und damit zu einer Beeinträchtigung des Verringerungseffektes auf den Ausstoß von Stickoxyden, die mit derartigen Systemen angestrebt wird.

Die Erfindung ist daher darauf gerichtet, eine verbesserte Auspuffgas-Reinigungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen zu schaffen, bei der die oben erwähnten Nachteile überwunden werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll der Effekt der Strömungsträgheit der Auspuffgase in dem Auspuffsystem der Maschine optimal ausgenutzt werden und damit soll der Strömungsdurchsatz der eingeleiteten Sekundärluft in den einzelnen Sekundärluftrohren erhöht werden, so daß eine ausreichende Sekundärluftmenge in das Auspuffsystem eingeleitet werden kann, ohne daß eine große Anzahl von Sekundärluftrohren erforderlich ist.

Im übrigen ist das erfindungsgemäße System in optimaler Weise darauf ausgerichtet, daß eine Vermischung von Sekundärluft mit denjenigen Auspuffgasen, die für die Rückleitung zur Saugseite der Maschine bestimmt sind, verhindert wird.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer

bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Auspuffgas-Reinigungsvorrichtung in Verbindung mit einer 6-Zylin-

der-Brennkraftmaschine;

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Fig. 2 ist ein vergrößerter Schnitt zur Veranschaulichung von Einzelheiten eines Sekundärluftrohres und eines Zungen- oder Rohrventils, das mit dem Sekundärluftrohr der Fig. 1 verbunden ist;

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung und zeigt die Anordnung der Sekundärluftrohre in Bezug auf den Auspuffkrümmer . der Fig. 1.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen zum Zwecke der Veranschaulichung eine erfindungsgemäße Abgas-Reinigungsvorrichtung in Verbindung mit einer 6-Zylinder-Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 1 ist in üblicher Weise mit Brennkammern C₁ , C , C , C. , C,- und C, , Einlaßleitungen mit einem Ansaugkrümmer 2 zur Zufuhr eines Gemisches aus Luft und Brennstoff zu der Maschine und Auspuffleitungen mit Auspuffkanälen 3 und einem Auspuffkrümmer 4 in Verbindung mit allen Brennkammern zur Abgabe der Auspuffgase aus der Maschine versehen. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die Auspuffkanäle 3 derart angeordnet, daß sie sich jeweils paarweise von der zugeordneten Brennkammer zu ihrem Auslaßende, an dem sie mit dem Auspuffkrümmer 4 verbunden sind, annähern. Der Auspuffkrümmer 4 umfaßt Zweigleitungen 4a, 4b und 4c und eine gemeinsame Hauptleitung 4d, in die die Zweigleitungen einmünden. Die Zweigleitungen sind auf ihrer inneren Seite mit einer Trennwand 5 versehen, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist. Dadurch entstehen zwei fluiddicht voneinander getrennte Auspuffkanäle. Diese beiden Auspuffkanäle stehen jeweils getrennt mit einem der angrenzenden Auspuffkanäle 3 in Verbindung. Der Auspuffkrümmer 4 ist vorzugsweise in einem Stück gegossen. Bei der dargestellten Ausführungsform weist die Zweigleitung 4a eine andere Länge als die anderen Zweigleitungen auf und ist länger als diese, d.h., sie erstreckt: sich von der gemeinsamen Leitung 4d über einen Abstand, der größer ist als der Abstand der anderen Zweigleitungen 4b und 4c. Die Zweigleitung 4a kann auch als diejenige

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Zweigleitung bezeichnet werden, die mit der am weitesten vorne liegenden Brennkammer der Reihen-Brennkraftmaschine 1 oder der am meisten von dem Auspuffkrümmer 4 entfernten Brennkammer in Verbindung steht.
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In diesem Falle sind zwei Sekundärluftrohre 6a und 6b mit der Zweigleitung 4a verbunden, die die längste Zweigleitung des Auspuffkrümmers 4 darstellt, und zwar in einer Position der Zweigleitung, die so dicht wie möglich an der Verbindung mit den Auspuffkanälen 3 liegt. Die Gründe für diese Maßnahme sollen später erläutert werden. In Bezug auf die beiden, durch die Trennwand 5 gebildeten Auspuffkanäle sind die Sekündärluftrohre 6a und 6b so angeordnet, daß sie jeweils mit einem Auspuffkanal innerhalb der Zweigleitung 4a in Verbindung stehen. Zungen- oder Rohrventile 7a,7b sind an einem Ende der Sekundärluftrohre 6a,6b gegenüber dem Eintrittspunkt in die Zweigleitung 4a angebracht. Die Rohrventile la.,lh umfassen Ventilglieder 8a,8b, die als Einwegventile arbeiten und sich periodisch entsprechend dem pulsierenden Druck des Auspuffgases in dem Auspuffsystem öffnen und schließen und damit intermittierend Atmosphärenluft in die Auspuffgase durch die Sekundärluftrohre 6a,6b und Filter 9a,9b zum Filtern der Atmosphärenluft einlassen. Mit 11a,11b sind Anschläge zur Begrenzung der Biegung der Zungen- oder Rohrventile 8a,8b bezeichnet.

Die Sekundärluftrohre 6a,6b sind, wie insbesondere in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, mit der Zweigleitung 4a derart verbunden, daß die Verlängerung der Achse der Sekundärluftrohre die Achse der Zweigleitung etwa im rechten Winkel schneidet oder die Sekundärluftrohre senkrecht zu der Innenwand der Zweigleitung stehen, so daß die Sekundärluftrohre den statischen Druck des Auspuffgases in dem Auspuffkrümmer 4 aufnehmen.

Es ist zweckmäßig, die Menge der Sekundärluft, die den Auspuffgasen in der Auspuffanlage zugeführt wird, derart zu steuern, daß ein gesamtes Luft-Brennstoff-Verhältnis von etwa 16 : 1 oder über 16: 1 bei der Zugabe von Sekundärluft entsteht.

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Der Ausdruck "gesamtes Luft-Brennstoff-Verhältnis" bezeichnet das Verhältnis der Gesamtluft (Ansaugluft + Sekundärluft) zu Brennstoff, bezogen auf Gewichtsanteile. Wenn daher eine ausreichende Menge Sekundärluft, die zur Herstellung eines gewünschten gesamten Luft-Brennstoff-Verhältnisses erforderlich ist, nicht durch die beiden erwähnten Sekundärluftrohre 6a,6b zugeführt wird, wird ein zusätzliches Sekundärluftrohr 6c verwendet, das mit der gemeinsamen Leitung 4d des Auspuffkrümmers 4 stromabwärts der Sekundärluftrohre 6a,6b verbunden ist, wie in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet ist.

Die Brennkraftmaschine 1 ist weiterhin mit einer Auspuffgas-Rückführungseinrichtung (EGR) versehen, die ein Rückleitungsrohr 10 umfaßt. Diese Maßnahme dient zur Verringerung der Bildung von Stickoxyden während der Verbrennung durch teilweise Rückführung der Auspuffgase aus der Auspuffleitung zu der Saugseite des Motors. Bei dieser Ausführungsform umfaßt das Rückleitungsrohr 10 Ansaugzweige 10a und 10b. Um zu verhindern, daß Sekundärluft mit den zurückzuführenden Auspuffgasen vermischt wird, sind diese Ansaugzweige 10a und 10b nur mit den Zweigleitungen 4a und 4b und nicht mit der Zweigleitung 4c verbunden, mit der die Sekundärluftrohre 6a und 6b in Verbindung stehen. Außerdem entnehmen die Ansaugzweige 10a und 10b dem Auspuffkrümmer 4 Auspuffgas in einer Position stromaufwärts des Sekundärluftrohres 6c. Mit der Bezugsziffer 12 ist ein Regelventil für die Auspuffgasrückführung bezeichnet, das als solches bekannt ist und zur Regelung der Auspuffgasrückführung durch das Rückleitungsrohr 10 entsprechend den Betriebsbedingungen der Maschine dient.

Anschließend soll die erfindungsgemäße Auspuffgas-Reinigungsvorrichtung und insbesondere deren Arbeitsweise näher erläutert werden.

Die Höhe des Druckes in dem Auspuffkrümmer 4 ändert sich in bekannter Weise periodisch mit der Zeit, und zu bestimmten Intervallen herrscht ein negativer Druck in dem Auspuffkrümmer.

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Zum Einlassen von Atmosphärendruck in die Auspuffanlage durch die Sekundärluftrohre 6a und 6b nutzt die erfindungsgemäße Vorrichtung, im Prinzip ähnlich wie herkömmliche Auspuffgas-Reinigungssysteme, diesen negativen Druck mit Hilfe der Zungen- oder Rohrventile 8a und 8b aus, die geöffnet werden , sobald in den zugeordneten Sekundärluftrohren 6a und 6b ein negativer Druck herrscht, und die andererseits geschlossen werden, wenn ein positiver Druck im Inneren der Rohre vorliegt, so daß ein Austreten von Auspuffgasen an die Atmosphäre ausgeschlossen wird.

Der negative Druck in dem Auspuffsystem wird insbesondere gebildet in den Auspuffkanälen 3 und dem Auspuffkrümmer 4, überwiegend aufgrund der Trägheit des Auspuffgasstromes. Das bedeutet,' daß beim öffnen eines nicht gezeigten Auslaßventils der Brennkraftmaschine 1 Auspuffgas in das Auspuffsystem abgegeben wird und sich durch dieses .mit beträchtlicher Geschwindigkeit aufgrund seiner Trägheit bewegt, und zwar auch dann noch, wenn das Auslaßventil geschlossen ist. Aufgrund der Masse der Auspuffgase, die ihre Bewegung nach dem Schließen des Auslaßventils fortsetzen, entsteht ein negativer Druck in einem Teil des Auspuffsystems, wenn die Masse der Auspuffgase diesen Teil passiert hat.

Die Größe des negativen Druckes ändert sich in Abhängigkeit von der Trägheit des Auspuffgasstromes. Der absolute Wert des negativen Druckes, der in dem Auspuffsystern entsteht, nimmt mit der Trägheit des Auspuffgasstromes zu. Wenn der negative Druck einen höheren absoluten Wert aufweist und Sekundärluft eingeführt wird, nimmt der Sekundärluftstrom durch die Sekundär luftrohre zu.

Aufgrund dieser Tatsache ist das erfindungsgemäße Auspuffgas-Reinigungssystem derart konstruiert und ausgelegt, daß die Trägheit der Auspuffgase maximal oder optimal ausgenutzt wird.

Der Trägheitsstrom der Auspuffgase ist in der Zweigleitung 4a

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am größten von allen Zweigleitungen des Auspuffkrümmer 4
der dargestellten Ausführungsform, Der Ansaugkrümmer der
Erfindurig ist daher derart gestaltet, daß der Auspuffgasstrom durch die Zweigleitung 4a am wenigsten Störungen mit anderen
Auspuffgasströmungen in dem Auspuffkrümmer 4 ausgesetst ist
und ein möglichst geringer Strömungswiderstand besteht, d.h., der Trägheitsstrom der Auspuffgase ist in derjenigen Zweigleitung 4a am größten, die die längste Zweigleitung des Auspuffkrümmers darstellt und eine zunehmend gekrümmte Form oder eine im wesentlichen gerade Form entlang der Achse der gemeinsamen Leitung 4d des Auspuffkrümmers 4 aufweist. Daher entsteht in
der Zweigleitung 4a ein negativer Druck mit einem optimal hohen absoluten Wert.

Da somit die Sekundärluftrohre 6a und 6b mit der Zweigleitung 4a verbunden sind, wird der Sekundärluftdurchsatz in den Sekundärluftrohren im Vergleich zu herkömmlichen Auspuffgas-Reinigungssystemen erhöht, so daß mit dem erfindungsgemäßen
System eine ausreichende Sekundärluftmenge in das Auspuffsystem eingeleitet werden kann, ohne daß zahlreiche Sekundärluftrohre notwendig sind.

Die oben beschriebene optimale Ausnutzung der Strömungsträgheit der Auspuffgase kann auch mit einer nicht gezeigten, abgewandelten Ausführung erreicht werden, indem nämlich die Sekundärluftrohre 6a und 6b mit den Auspuffkanälen 3 verbunden
sind, von denen die Zweigleitung 4a ausgeht, und nicht mit der Zweigleitung 4a selbst, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Die Rohrventile 8a und 8b werden durch den negativen Druck in der Zweigleitung 4a geöffnet, so daß Atmosphärenluft in die
Zweigleitung 4a durch die Filter 9a und 9b eintreten kann.
Die Ventile werden geschlossen, wenn sich in der Zweigleitung 4a ein positiver Druck bildet, so daß verhindert wird, daß

Auspuffgase an die Atmosphäre austreten.

Obgleich die Sekundärluftrohre 6a und 6b mit der Zweigleitung

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4a verbunden sind/ durch die nur die Auspuffgase aus den Brennkammern C.., C~ hindurchgehen, wird die pulsierende Druckwelle des Auspuffgasdruckes aufgrund der Abgabe der Auspuffgase der anderen Brennkammern C-, C., C^. und C_fi an die Zweigleitung 4a mit Schallgeschwindigkeit übertragen. Die Rohrventile 8a und 8b öffnen und schließen sich daher weiterhin entsprechend diesen pulsierenden Auspuffgasdrücken, die durch die Auspuffgasabgabe aus den anderen Brennkammern C_, C., C_ und Cg gebildet werden. Der negative Druck in der Zweigleitung 4a ist in diesem Falle in Bezug auf den absoluten Wert verhältnismäßig klein, wie sich aus den obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der Strömungsträgheit der Auspuffgase ergibt, so daß der Durchsatz der Sekundärluft in den Auspuffkrümmer 4 zeitweilig verringert wird. Da jedoch die Sekundärluftrohre 6a und 6b die Strömungsträgheit der Auspuffgase optimal ausnutzen, wird der durchschnittliche Strömungsdurchsatz der Sekundärluft durch die Sekundärluftrohre 6a und 6b auf ein beträchtliches Niveau im Vergleich zu Sekundärluftrohren angehoben, die mit den Zweigleitungen 4b oder 4c verbunden sind. Mit anderen Worten, bei einem Auspuffgas-Reinigungssystem, bei dem die Sekundärluftrohre mit der Zweigleitung 4a verbunden sind, kann eine beträchtlich erhöhte Menge Sekundärluft in das Auspuffsystem im Vergleich zu Systemen eingeleitet werden, bei denen die gleiche Rohranzahl verwendet wird, die Rohre jedoch mit den Zweigleitungen 4b und/oder 4c verbunden sind.

Die Sekundärluftrohre 6a und 6b sind mit der Zweigleitung 4a derart verbunden, daß die Verlängerung der Achse der Sekundärluftrohre die Achse der Zweigleitung 4 etwa im rechten Winkel schneidet. Daher nehmen die Sekundärluftrohre 6a und 6b den statischen Druck der pulsierenden Auspuffgase auf. Untersuchungen, die im Rahmen der Erfindung durchgeführt worden sind, haben gezeigt, daß auf diese Weise eine sehr vorteilhafte Erhöhung des Strömungsdurchsatzes der Sekundärluft durch die Sekundärluftrohre im Vergleich zu Anordnungen möglich ist, bei denen die Sekundärluftrohre in das Auspuffsystem über öff-

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nungen einmünden, die der Strömungsrichtung der Auspuffgase entgegengesetzt sind, d»h., die einen dynamischen Druck der pulsierenden Auspuffgase aufnehmen.

Aufgrund der Position der Sekundärluftrohre ist es nicht notwendig, Sekundärluftrohre in Verbindung mit den Zweig= leitungen 4b und 4c zu verwenden. Die Auspuffgas-Rückleitung 10 ist in diesem Falle nur mit den Zweigleitungen 4b und 4c, nicht jedoch mit der Zweigleitung 4a verbunden. Dadurch wird verhindert, daß die zurückgeführten Auspuffgase Sekundärluft enthalten. Auf diese Weise ergibt sich ein stabiler Maschinenbetrieb und ein geringer Brennstoffverbrauch. Wenn nämlich die zurückgeführten Auspuffgase Sekundärluft enthalten würden, würde sich die tatsächlich zurückgeführte Auspuffgasmenge in Abhängigkeit von dem Sekundärluftanteil ändern. Dies kann dazu führen, daß ein Luft-Brennstoff-Verhältnis eines Luft-Brennstoff-Gemisches, das der Maschine zugeführt wird, von einem vorgegebenen Wert abweicht und einen instabilen Maschinenbetrieb in Verbindung mit hohem Brennstoffverbrauch verursacht.

Das erfindungsgemäße Auspuffgas-Reinigungssystem ist.daher außerordentlich vorteilhaft, indem es die Zufuhr einer ausreichenden Sekundärluftmenge in die Auspuffgase mit einer be- grenzten Anzahl von Sekundärluftrohren gestattet« Das System der vorliegenden Erfindung nutzt den Effekt der Strömungsträgheit der Auspuffgase in dem Auspuffsystem optimal aus, und das Zufuhrsystem für Sekundärluft ist einfach aufgebaut und weniger kostspielig und zugleich sehr wirksam in Bezug auf eine effiziente Verringerung des Anteils der unverbrannten Bestandteile der Auspuffgase, die an die Umgebung abgegeben werden.

Im übrigen ergibt das erfindungsgemäße Auspuffgas-Reinigungssystem einen sehr stabilen Maschinenbetrieb und einen geringen Brennstoffbedarf der Maschine, und die Bildung von Stickoxyden wird reduziert, da das System eine Beimischung von Sekundärluft an die zurückgeführten Auspuffgase verhindert»

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Leerse lie

Claims

■ PATENTANWÄLTE

TER MEER - MÜLLER - S"

D-aOOO Münchera 22 O-48O0 Bäaäefeld 2807641

Triftstraße 4 Siekerwal! 7

PG 23-77174
St/ge

Nissan Motor Company, Limited No. 2, Takara-machi, Kanagawa-ku,
Yokohama City, JAPAN

Auspuffgas - Reinigungsvorrichtung

Priorität: 25. Februar 1977, JAPAN, No. 52-22972

Patentansprüche

(^j Auspuffgas-Reinigungsvorrichtung für Mehrzylinder-Brennkraftmaschinen mit mehreren Brennkammern, mit einem Auspuffsystem zur Abgabe von Auspuffgasen der Brennkraftmaschine, das eine Anzahl von Auspuffkanälen in Verbindung mit den Brennkammern und einen Auspuffkrümmer mit einer Anzahl von Zweigleitungen in Verbindung mit den Auspuffkanälen umfaßt, gekennzeichne t durch eine Sekundärluft-Zufuhreinrichtung (6a,6b) zur Einleitung von Atmosphärenluft in das Auspuffsystem (3,4) und durch Rohrventile (7a,7b,8a,8b,9a,9b) in Ver-

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bindung mit der Zufuhreinrichtung (6a,6b), die sich periodisch ehtsprechend dem pulsierenden Auspuffgasdruck in dem Auspuffsystem (3,4) öffnen und schließen, welche Sekundärluft-Zufuhreinrichtung (6a,6b) mit der längsten Zweigleitung (4a) der Zweigleitungen (4a,4b,4c) des Auspuffkrümmers bzw. dem diesem zugeordneten Auspuffkanal (3) verbunden ist.
2. Auspuffgas-Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärluft-Zufuhreinrichtung Sekundärluftrohre (6a,6b) umfaßt, deren Achsen in ihrer Verlängerung die Achse der Zweigleitung (4a) im wesentlichen im rechten Winkel schneiden,
3. Auspuffgas-Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit Auspuffgas-Rückführung, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückleitungsrohr (10) zur Rückführung von Auspuffgasen aus dem Auspuffsystem zur Saugseite der Brennkraftmaschine (1) von den Zweigleitungen (4b,4c), ausgenommen die längste Zweigleitung (4a) des Auspuffkrümmers ausgeht.
4. Auspuffgas-Reinigungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennze ichnet, daß zwei Sekundärluftrohre (6a, 6b) vorgesehen sind, daß die längste Zweigleitung (4a) des Auspuffkrümmers (4) durch eine Trennwand (5) in zwei Auspuff-

kanäle unterteilt ist und daß die Sekundärluftrohre (6a, . .6b) jeweils mit einem dieser Auspuffkanäle verbunden sind.
5. Auspuffgas-Reinigungsvorrichtung nach einem der vorherhegenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zusätzliches Sekundärluftrohr (6c) in Verbindung mit der gemeinsamen Leitung (4d) des Auspuffkrümmers (4) stromabwärts der beiden Sekundärluftrohre (6a,6b).

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