DE3038669A1

DE3038669A1 - Vorrichtung und verfahren zum betreiben von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE3038669A1
Application number: DE19803038669
Authority: DE
Inventors: Anton 7971 Diepoldshofen Liedl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-14
Filing date: 1980-10-14
Publication date: 1982-05-19

Description

DiPL.-INQ. H. J. HÜBNER

D-896Kempten,MoEartslr. 21, Ruf 0831/23291

Anmelder : Anton Liedl/ 7971 Diepoldshofen

Bezeichnung: Verfahren U.Vorrichtung ζ.Betreiben von Verbrennungs-

Anwaltsakte: L 1207 / motoren

22. Sept. 1980/is

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Verbrennungsmotoren insbesondere in Kraftfahrzeugen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, daß insbesondere bei Otto-Motoren häufig eine vollständige Verbrennung des Kraftstoffes nicht erreicht werden kann. Besonders trifft dies auf Kraftfahrzeugmotoren zu, die bekanntermaßen im Leerlauf ungünstigere Verbrennungseigenschaften haben als in einem bestimmten Lastbereich. Aber auch bei höheren Drehzahlen entfernen sich die Brennungseigenschaften von ihrem Optimum. Weiterhin ist die Betriebstempe-

ratur des Motors für die Erzielung einer möglichst vollständigen Verbrennung wesentlich. Unterhalb der normalen Betriebstemperatur ist die Verbrennung unvollkommen und der Ausnutzungsgrad des Kraftstoffes gering.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein neuartiges Verfahren zu schaffen, um den Energieinhalt des Kraftstoffes besser auszunutzen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren zum Betreiben von Verbrennungsmotoren dadurch gelöst, daß die Auspuffgase des Verbrennungsmotors in einem Speicher gesammelt und anschließend in einem weiteren Verbrennungsvorgang verwendet werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Teil der Abgase in das Luftansaugsystem des Verbrennungsmotors zurückgeführt. Vorzugsweise ist eine Dosiereinrichtung vorgesehen, die insbesondere dem Vergaser des als Otto-Motor ausgebildeten Verbrennungsmotors eine bestimmte zulässige.Menge pro Zeiteinheit an Auspuffgasen zuführt.

Im Abgassystem des Verbrennungsmotors ist eine Filtereinrichtung vorgesehen, welche die unbrennbaren Be-

standteile des Abgases direkt in das Auspuffsystem und über dieses ins Freie leitet, während die brennbaren Bestandteile dem Speicherbehälter zugeführt werden. Dem Filter ist vorzugsweise ein Steuerorgan vorgeschaltet, insbesondere also eine Steuerklappe, welche von den Betriebszuständen des Verbrennungsmotors gesteuert wird. So ist insbesondere eine drehzahlabhängige Regelung der Steuerklappe vorgesehen, derart, daß im Leerlaufzustand des Motors und ggf. im Teillastbereich die Abgasleitung über den Filter zum Speicher geöffnet ist, während sie im Bereich günstiger Motordrehzahlen und damit einer möglichst vollständigen Verbrennung geschlossen ist, sodaß die Abgase direkt dem Auspuffsystem zugeführt werden. Weiterhin ist ein besonders wichtiger Sensor am Motor vorgesehen, der auf die Betriebstemperatur anspricht. Dieser Sensor ist als Temperaturfühler ausgebildet und kann im Kühlwassersystem oder auch in der ölwanne angeordnet sein. Solange dieser Sensor eine Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur mißt, werden die Abgase des Motors in den Speicherbehälter geleitet. Der Speicher sammelt also Abgase, die noch einen relativ hohen Energieinhalt aufweisen, der in einem nachgeschalteten Verbrennungsvorgang ausgenutzt wird. Dies '

braucht nicht ausschließlich in dem Fahrzeug selbst zu gGschahon, vielmehr liegt es im Rahmen der Erfindung/ die Speicherbehälter wegnehmbar und austauschbar zu machen, sodaß beispielsweise an einer Tankstelle nicht nur Kraftstoff getankt, sondern auch die Abgas-Speicherbehälter gegen leere Behälter ausgewechselt werden können. Die vollen Behälter lassen sich dann an einer externen Station umfüllen, sodaß die energiehaltigen Abgase weiter verarbeitet werden können.

Weiterhin liegt es noch im Rahmen der Erfindung, die Speicherkapazität dadurch zu erhöhen, daß die Abgase, vorzugsweise nach der durchgeführten Filterung komprimiert werden und im komprimierten Zustand im Behälter oder in den Behältern gespeichert werden·. Je nach gewünschtem Kompressionsdruck ist am Auslaß des Speicherbehälters ein Expansionsventil angeordnet, das die energiehaltigen Abgase im Speicherbehälter.auf einen günstigen Druck entspannt, der einen gewissen Aufladeeffekt für den Motor ergibt. Als Expansionseinrichtung kann eine Turbine verwendet werden, die gleichzeitig einen Verdichter in der Ansaugluftleitung antreibt. Bei Verwendung des neuen Verfahrens kann der Energie-

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inhalt des Kraftstoffes besser ausgenutzt werden und zwar insbesondere wird Kraftstoff in den Betriebszuständen des Motors rückgewonnen/ in denen die Maschine mit einem relativen Luftmangel arbeitet. Darüber hinaus trägt das neue Verfahren zur Reinhaltung der Atmosphäre bei, das heißt die Umweltverschmutzung wird verringert.

Anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel darstellt, sei die Erfindung näher beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 eine schematisehe Ansicht einer Einrichtung zur Energierückgewinnung aus Abgasen von Brennkraftmaschinen und

Figur 2 eine Heckansicht eines Fahrzeuges mit Darstellung von Speicherbehältern zur Speicherung von energiehaltigen Abgasen.

Gemäß Figur 1 bezeichnet 10 einen Verbrennungsmotor und zwar insbesondere einen Otto-Motor eines Kraftfahrzeuges. Aus einem Benzintank 12 fließt Kraftstoff über eine Leitung 14 einem Vergaser 16 zu, in den eine

Luftansaugleitung 18 mündet und von dem eine Kraftstoff-Luftleitung 20 zu den Einlaßventilen des Verbrennungsmotors 10 führt. Im Ausführungsbeispiel ist ein sogenannter Vergasermotor beschrieben/ obwohl die Einrichtung auch bei Einspritzmotoren verwendet werden kann.

Die Abgassammelleitung 22 des Motors 10 führt nun nicht wie bei herkömmlichen Fahrzeugen über das Auspuffsystem ins Freie, sondern enthält als erstes eine .Steuerklappe 24, die in ihrer einen Endstellung die Abgasleitung 22 mit dem Auspuffsystem 26 verbindet. In der anderen Endsteilung des Steuerorgans 24 ist die Abgasleitung 22 über eine Verbindungsleitung 28 mit einem Filter 30 verbunden, der so ausgelegt ist, daß mindestens ein Teil der nicht brennbaren bzw. die verbrennun'guriterstützenden Bestandteile über eine Zwischenleiturig 32 in das Auspuffsystem 26 führt, während der energiehaltige Rest der Abgase in einen Speicherbehälter 34 eingeführt wird, wo diese energiehaltigen Abgase gesammelt werden. Im Ausführungsbeispiel ist in der Verbindungsleitung 36 zwischen Filter 30 und Speicher 34 ein Kompessor 38 angeordnet,

der die Speichergase im Behälter 34 komprimiert, sodaß die Speichermenge vergrößert wird.

An den Speicherbehälter 34 ist ein überdruckventil 40 angeschlossen, das bei überschreiten .eines Maximaldruckes öffnet und die Abgase ins Freie führt.

Vom Speicherbehälter 34 geht eine Leitung 42 aus, die zu einer Expansionsturbine 44 führt, von der das energiehaltige Abgas einer Dosiereinrichtung zugeführt wird, die ihrerseits über eine Leitung den Vergaser 16 speist. Die Dosiereinrichtung 46 ist über eine Steuerleitung 50 mit Sensoren verbunden, die nicht dargestellt sind, die jedoch den Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 ermitteln und in Abhängigkeit von diesem die Dosiereinrichtung 46 steuern, um zu gewährleisten, daß genau die Abgasmenge in den Vergaser 16 gelangt, die den Motor 10 einwandfrei arbeiten läßt.

Das Turbinenrad der Expansionsturbine 44 ist über eine Welle 52 (gestrichelt dargestellt) mit dem Schaufelrad eines Kompressors 54. verbunden, welcher in der Luftansaugleitung 18 liegt,, sodaß die Frisch-

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luft und das Abgas unter erhöhtem Druck dem Vergaser 16 zugeführt werden/ womit eine Aufladung des Motors 10 und damit eine Wirkungsgradverbesserung erreicht wird.

Es versteht sich, daß eine Vereinfachung der Anlage erreicht wird, wenn die Abgase '±m Speicherbehälter 34 unter normalem Abgasdruck gespeichert werden. In diesem Fall können Kompressor 38, Expansionsturbine 44 und der Frischluftverdichter 54 entfallen. Auch besteht eine Vereinfachung der Anlage darin, das Steueroasen 24 wegzulassen, sodaß alle Abgase erst einmal dem Speicherbehälter 34 zag'eführt werden. Anstelle eines externen Filters 30 kann die Filterung auch im Speicher 34 selbst vorgenommen werden. Diese Alternative wird dann für besonders zweckmäßig gehalten, wenn für die Filterung ein gewisser Zeitraum erforderlich ist, um nicht brennbare Bestandteile der Gasmischung auszuscheiden.

Das Steuerorgan 24 bringt jedoch den erheblichen Vorteil, daß eine Regelung der Abgasspeicherung in Abhängigkeit vom Energieinhalt des Abgases vorgenommen werden kann. Bei einem richtig eingestellten Vergaser ist der Anteil unverbrannter Bestandteile im Abgas

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unter normalen Betriebsbedingungen des Fahrzeuges relativ gering. Die Abgaszusammensetzung ändert sich aber stark mit der Motorlast. So ist der CO-Gehalt bei Leerlauf eines Otto-Motors zwei- bis viermal höher als bei Vollast. Der EU-Gehalt ist sogar im Leerlauf des Motors vier- bis fünfmal größer als bei Vollast. Noch viel krasser werden die Verhältnisse, wenn die Maschine 10 unterhalb ihrer Betriebstemperatur läuft. Versuche haben ergeben, daß in der "Kaltstart-Phase" der Kraftstoffverbrauch das 40-Fache des Verbrauches bei Betriebstemperatur betragen kann. Gerade in dieser Niedrigtemperstur-Phase ist der Verbrennungsvorgang im Motor 10 höchst unvollkommen und die Abgase enthalten einen hohen Anteil brennfähiger aber unverbrannter Gase.

Die Steuerklappe 24 wird nun von diesen Betriebsbedingungen des Motors 10 gesteuert. So ist insbesondere ein Sensor 56 schematisch veranschaulicht, der die Drehzahl der Kurbelwelle des Motors 10 abfühlt und über eine Steuerleitung 58 die Steuerklappe 24 entsprechend verstellt. Fühlt der Sensor 56 die Leerlaufdrehzahl des Motors ab oder eine Drehzahl, die nur geringfügig höher liegt, so ist der Durchgang zwischen

den Abgasleitungen 22,28 voll geöffnet.

Ein weiterer Sensor 60 befindet sich im Kühlwassersystem des Motors 10. Dieser Sensor 60 ist über eine Steuerleitung 62 ebenfalls an das (nicht dargestellte) Verstellorgan der Steuerklappe 24 angeschlossen. Fühlt der Sensor 60 eine Temperatur ab, die unterhalb.der Betriebstemperatur des Motors liegt, so ist die Steuerklappe 24 offen, dh. die Abgase werden dem Speicher 34 zugeführt. Steigt die Motortemperatur bis auf die Betriebstemperatur an, so wird das Steuerorgan 24 in Richtung der Schließstellung verstellt, wobei selbstverständlich auch Zwischerfitellungen entsprechend der jeweils abgefühlten Steuerwerte möglich sind. Wenn die Leitung 28 zunehmend geschlossen wird, wird entsprechend die zum Auspuffsystem 26 führende Leitung geöffnet.

Das Steuerorgan 24 ist noch über eine weitere Steuerleitung 64 mit einem Druckfühler 65 im Speicherbehälter 34 verbunden, sodaß eine Betätigung des Steuerorgans 24 auch in Abhängigkeit vom Füllungsgrad des Speicherbehälters erfolgt. Ist der Speicherbehälter.weit ge-

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füllt, so schlieft das Steuerorgan 24 die Leitung 28 beispielsweise bei niedrigeren Motordrehzahlen ab/ als dies bei leerem Behälter 34 der Fall wäre.

Obwohl im Vorstehenden eine Rückgewinnungsanlage für energiehaltige Abgase von Brennkraftmaschinen derart beschrieben worden ist/ daß die Abgase in der eigenen Brennkraftmaschine des Fahrzeuges wieder verwendet werden, so versteht sich/ daß auch eine externe Nutzung der Abgase möglich ist. Die Speicherbehälter 34 können z.B. an der Tankstelle in einen stationären Auffangbehälter entleert werden/ wie es auch möglich ist, die vollen Behälter gegen leere Behälter auszutauschen.

Figur 2 zeigt ein Kraftfahrzeug 66 schematisch von hinten. Der Kofferraum ist mit 68 bezeichnet. Im Kofferraum befinden sich - einander gegenüberliegend - an den Außenseiten zwei Speicherbehälter 34, die in diesem Fall als herausnehmbare und austauschbare Behälter dargestellt sind. Sie könnten alternativ jedoch auch in die Karosserie integriert sein.

Leerseite

Claims

Verfahren zum Betreiben von Verbrennungsmotoren insbesondere in Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspuffgase des Verbrennungsmotors (10) in einem Speicher (34) gesammelt und anschließend in einem weiteren Verbrennungsvorgang wieder verwendet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Abgase des Verbrennungsmotors in das Luftansaugsystem des-selben Verbrennungsmotors zurückgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase des Verbrennungsmotors (10) komprimiert werden und im komprimierten Zustand gespeichert werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet/ daß die Abgase in den Vergaser (16) eines Otto-Motors (10) eingeführt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Speicher (34) eine bestimmte Abgasmenge in Abhängigkeit von den Betriebseigenschaften des Motors (1Ö) mittels einer Dosiereinrichtung (46)· eindosiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase vor der Rückführung in das Ansaugsystem des Verbrennungsmotors (10) in einem Filter (30) gefiltert werden und nur die brennfähigen bzw. die verbrennurigunterstützenden Bestandteile weiter verwendet werden.

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7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftfahrzeug mindestens ein geschlossener Speicherbehälter (34) vorgesehen ist, der an das Abgas-Leitungssystem (22,28,36) des Verbrennungsmotors (20) angeschlossen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (34) mit einer in'das Ansaugsystem (16,18,20) des Verbrennungsmotors (1.0) mündenden Rückführleitung (42,48) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Speicherbehälter (34) am Fahrzeug (66) wegnehmbar und austauschbar angeoichet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9/ dadurch gekennzeichnet, daß im Heckkofferraum (68) des Kraftfahrzeuges (66) an beiden Seiten - einander gegenüberliegend - je ein geschlossener Abgas-Speigherbehälter (34) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet/ daß die Abgasleitung (22) des Verbrennungsmotors (10) ein Steuerorgan (24) enthält/ das zwei Ausgänge hat, von denen der eine mit dem Speicherbehälter (34) und der andere mit dem Auspuffsystem (26) verbunden ist und daß das Steuerorgan (24) von Sensoren (56,60) steuerbar ist, welche die Betriebseigenschaften der Brennkraftmaschine (10) abfühlen.