DE3435201A1 - Kombinationseinrichtung zur nutzbarmachung der abgasenergie als antriebskraft bei verbrennungskraftmaschinen und zur senkung des co- und ch-gehalts im abgas dieser maschinen, sowie eine in diese mit integrierte einrichtung zur weiteren entgiftung des abgases - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Korabinationseinrichtung zur Nutzbarmachung der Abgasenergie als Antriebskraft bei Verbrennungskraftmaschinen und zur Senkung des CO- und CH-lehalts im Abgas dieser Maschinen, sowie eine, in diese mit integrierte Einrichtung zur weiteren Entgiftung des Abgases.

Sine Nutzung der Abgasenergie bei Brennkraftmaschinen ist bisher bekanntlich nur zum Antrieb von Verdichtern zwecks höherer Aufladung bestimmter Motoren, sog. Turboauflader, erfolgt, was jedoch kein direkter Gewinn an Antriebsleistung bedeutet.

Die erv/iinschte Nutzbarmachung der Abgasenergie bei Brennkraftmaschinen als direkte Antriebskraft mit gleichzeitiger Senkung der Abgasgifte wird erfindungsgemäß bewirkt durch die nachstehend beschriebene■Kombinationseinrichtung, die in Form eines Gasantriebsaggregats in Gestalt eines Turbinenläufers besteht und der beispielsweise mit einer Rotationskolbenmaschine (nach Wankal-NSU) zusammenwirkt, wie in den Darstellungen in fig.1 ab und fig.x gezeigt.

Die Kombinationseinrichtung ist gekennzeichnet durch am Gehäuseteil des Turbinenläufers tangential in Laufrichtung angeordnete, von der Brennkraftmaschine beschickte Gaseinströmschlitze, einen mit der Brennkraftmaschine unmittelbar oder über einen Freilauf gekoppelten Läufer mit beispielsweise zwei um 18O Grad gegeneinander versetzte, über mit dem Läufer mit rotierende Gaseinstrcmspalte, vom Gasstrahl beaufschlagte Drucktaschen, derart, daß der auf die Druckfläche der Drucktasche wirkende Gasstrahl anschließend in entgegengesetzte Richtung umgelenkt und in der gegenüber gelegenen Gasaustrittseite durch jeweils einen am Läufer eingebauten Katalysator hindurchströmt und durch öffungen an der Deckscheibe der Gasaustrittseite als Auspuffgas über einen Reaktions-i schaufelnkranz ausströmt, ferner durch ein mit dem Läufer integriertes Frischluftgebläse, dessen geförderte Luft zunächst die Läuferwandung kühlt und anschließend über am Gehäuseteil angeordnete Lufteinströmschlitze in den Wirkbereich des Läufers geleitet wird und als Nachverbrennungsluft den Gasstrom durchsetzt.

In v/eiterer Ausbildung der Kombinationserfindung soll die Funktionsweise der hier vorgesehenen Rotationskolbenmaschine, die bekanntlich durch relativ hohen Kraftstoffverbrauch und unbefriedigende Abgasqualität erhebliche Nachteile aufweist, derart modifiziert werden, daß die Abgasöffnungskante der Auslaßschlitze zweckmäßigerweise derart erweitere, bzw. so vorverlegt wird, daß der Gasausschub schon im Bereich von etwa 40 - 50 Grad der Drehkolbenbewegung" - oder ggf. bis unmittelbar kurz nach der Zündung - stattfinden kann, wodurch einerseits die negativer. Gasdruckverhältnisse in dem sich geometrisch ungünstig verändernden Brennraum positiver optimiert werden, als das bei sonst normal vollem Durchlauf des Kolbenweges der Fall ist ( relativ hohe Wärmeverluste mit vermindernden Drehmoment, ungleichmäßige und länger anhaltende Wärmebelastung des Trochoidengehäuses mit einer "kalten" und einer "heißen" Hälfte, unvollständig verbrannten Abgase mit bis zu 200 Grad höheren Abgastemperaturen ), während andererseits durch die sich im Wirkbereich des Läufers bietende langgestreckte Expansionsbahn (durch die Umkehr des Gasstrahls über den Katalysator eine Länge von 2mal 18O Grad), die genug Zeit und Raum zu einer vollständigen Nachverbrennung läßt, das immanent hohe Energiepotential im nun teilweisen Frischgas effektiver voll genutzt und somit ein vorteilhafter Druckverlauf der Gassäule gewährleistet werden kann.

In der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. fig.1 zeigt die Einrichtung und deren Funktionsweise in einer übersichtlichen schema-ischen Darstellung, mit den am Gehäuseteil angeordneten, mir dicken schwarzen Pfeilen angedeuteten Gaseinströmschlitzen, die mit dünnen weißen Pfeilen angedeuteten Lufteinströmschlitzen, den TurDinenläufer mit den zwei V/irkbereichen a und b, u.zw. den Gaszuströmsralt 7, die mit relativ großen Druckflächen versehenen Drucktaschen 1, die an der Gasaustrittseite angeordneten Lamellen-Katalysatoren 3, sowie d^e mit Gasaustrittöffnungen 2 versehene Deckscheibe if und einen vorgesehenen Reaktionsschaufelnkranz 3» Ferner das zwischen den zwei Wirkbereichen a und b im Läufer integrierte Frischluftgebläse 6.

fig.1a und fig.1b zeigen jeweils die Gaseintritt- und die Gasaustrittseite des Turbinenläufers, fig.2 und fig. 3 sind ergänzende Darstellungen der einzelnen Vorgänge, insbesondere die Frischluftführung durch das Gebläse. Für die Abgasentgiftung ist ein besonders gestaltete Lamellen-Katalysator vorgesehen, bestehend aus einem Paket einzelner, in bekannterv/eise mit Kontaktmetall beschichtete keramische Segmentscheiben mit Distansstegen, derart, daß diese entsprechend schmale Lamellenspalte bilden (fig.3 Auslaßseite), u.zw. mittig zwischen den äußeren und inneren Steg eine Reihe getrennter Stege, um einen erwünschten Turbolenzeffekt zu bewirken.

Bei der vorgesehenen Rotationskolbenmaschine kann die vorhandene bekannte Schwungradmasse vorteilhaft durch den eben gekennzeichneten Läufer ersetzt werden.

Mit fig.x wird die hier als Abgas- bzw. teilweise Frischgasquelle benutzte Rotationskolbenmaschine gezeigt, u.zw. mit zwei verschiedenen Kolbenpositionen Pl und P2: wie oben angedeutet, arbeitet die Rotationskolbenmaschine infolge des sich nach der Zündung immer ungünstiger bildenden Brennraums relativ unwirtschaftlich bei voll durchlaufender Drehkolbenbewegung, wie beispielsweise bei der mit P1 dargestellten Kolbenposition, wo der Abgasauslaß erst bei der ursprünglich schmalen Auslaß- \> öffnung mit dicken schwarzen Pfeil stattfindet, während.bei der Kolbenposition P2, dünner Pfeil, der Drehkolben mit dem Gasdruck in Richtung Antriebswelle vorzeitig entlastet wird, was auch für die kritischen Punkte der Dichtleisten von erheblichen Vorteil ist. In der Zeichnung ist der besseren Übersicht halber der Auslaß am Gehäuseumfang dargestellt, ein Seitenauslaß wäre indessen für den hier vorgeschlagenen vorverlegten Auslaß vorteilhafter inbezug auf die Entlastung der Scheitellaufbahn des Kolbens. . .

Die günstigste Abgasauslaßöffnung wäre theoretisch, von der Geometrie her gesehen, im Bereich von etwa 40-50 Grad des Kolbenweges, was voraussichtlich einer empirischen Ermittlung bedarf; bei unmittelbaren Übergang des Gasstrom: kurz nach der Zündung direkt zum Turbinenläufer, wäre der Brennraum druckmäßig und thermisch erheblich entlastet. In der Kolbenstellung bzw. Position P2 werden mit η die negativen und mit ρ die positiven Druckverhältnisse im Brennraum zum Ausdruck gebracht.

Die Abdichtung des Läufers zuströmseitig erfolgt mittels äußeren und inneren Dichtringen, wie in fig.1a und in fig.3a im Detail mit den Anordnungen der einzelnen Ringe r1, r2 und r3, derart, daß die statorseitige Ringpaarung mit quasiwelligen, polygongeführten ölrillen r2' stirnseitig gesehen - versehen ist, was eine vollflächige Ölfilmbildung gewährleistet, während zur Verhinderung eines direkten Gasdurchblasens (blow-by), unmittelbar unterhalb der gekennzeichnete Dichtringpaarung r1-r2 ein vom Stator in den Läufer hineinragende Labyrinthring r3 mit entsprechenden Toleranzspalt angeordnet ist, wobei in eine entsprechend dimensionierte Ringrille zirkulierende Druckluft sowohl die· _Λ Dichtringe kühlt wie gegen einer etwaigen Verkokung der Spalte wirkt.

BAD ORlQINAL ^ _

Claims (6)

1. ? \ten~ansprüche: ' 3A35201 ^/

   ■"* .) SJirbinationseinrichtung zur Nutzbarmachung der Abgasenergie als Antriebskraft bei Verbrennungskraftmaschinen und.zur Senkung des CO-und CH-Geh?its im Abgas dieser Maschinen, sowie 3äne in diese mit integrier ce Einrichtung zur weiteren Entgiftung des Abgases, gekennzeichnet durch am ■gehäuseteil eines Turbinenläufers (fig.1 ab) tangential in Laufrichtung a geordnete, von der 3rennkraftmaschine beschickte .Gaseinströmschlitze, e.-.-Vjn mit der Brennkraftmaschine unmittelbar oder über einen Freilauf i-e.oppelten Läufer mit beispielsweise zwei um\ 130 Grad gegeneinander versetzte, über mit dem Läufer mit rotierende Gaszuströmspalte (7), vom Gass:rahl beaufschlagte Drucktasche.n (1), derart, daß der auf die Druckfläche der Drucktasche wirkende Gasstrahl anschließend in entgegengesetzte Richtung umgelenkt und durch jeweils einen am Läufer eingebauten Lamellen-Katalysator (p) hindurchströmt und durch öffnungen (2) an der Deckscheibe tk) sowie über einen vorgesehenen Reaktionsschaufelnkranz (3) als Auspuffabgas ausströmt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein mit dem Läufer integriertes Frischluftgebläse (6), dessen geförderte Luft zunächst die Läuferwandung kühlt und anschließend über am Gehäuseteil angeordnete Lufteinströmschlitze als Nachverbrennungsluft in den Wirkbereich des Läufers den Gasstrom durchsetzt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in : Kombination mit dem oben gekennzeichneten Turbinenläufer vorgesehene Rotationskolbenmaschine (fig.x) als Abgas- bzw. teilweise Frischgasquelle, .leren Abgasauslaßöffnungen derart modifiziert werden, daß der Zeit- bzw. j Cffnungspunkt des Auslaßes nicht in bekah'ri'terweise erst nach einem nor- i mal vollen Durchlauf des Drehkolbenweges--erfolgt, sondern die Abgasauslaßöffnung vorteilhafter vorverlegt, ,wird, u.zw. daß diese schon bei einem Drehkolbenweg im Bereich von'etwa ifQ - 50 Grad - oder ggf. bis unmittelbar kurz nach der Zündung - stattfinden kann, wodurch zunächst die₍ negativen Druckverhältnisse auf dem Kolben imBRennraum vermindert v/er- ^y den und die hier, auch normalerweise, nicht vollständig verbrennbaren heißen Abgase, in der langgestreckten Expansionsbahn des Läufers voll- \^N ständig nachverbrennen können.
4. k· Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Läufers zuströmseitig mittels äußeren und inneren Dichtringen erfolgt, derart, daß die statorseitige Ringpaarung (r1-r2) mit quasiwelligen, polygongeführten Ölrillen (r2·) versehen ist, was eine vollflächige Ölfilmbildung gewährleistet, während zur Verhinderung eines direkten Gasdurchblasens (blow-by) unmittelbar unterhalb der Ringpaarung r1-r2 ein aus dem Stator in den Läufer hineinragender stationäre Labyrinthring (r3) mit entsprechendem Toleranzspalt angeordnet ist, wobei eine entsprechend dimensionierte Luftrille mit zirkulierende Druckluft sowohl die Dichtringe kühlt, wie auch gegen eine etwaige Verkokung der Toleranzspalte wirkt.
5. 5" Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Abgasentgiftung vorgesehene Lamellen-Katalysator (5) aus einem Paket einzelner, in bekannterweise mit Kontaktmetall beschichteten, keramischen Segmentscheiben besteht, dergestalt, daß diese durch zweckmäßig bemessene Distanzstege entsprechend schmale Lamellenspalte (fig.3 Auslaßseite) und durch weitere dazwischen getrennt angeordnete Strömungslenkstege (fig.2) einen erwünschten Turbolenzeffekt bewirken..
6. 6."Einrichtung nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die noch nutzbare kinetische Energie des Abgases von einem vorgesehenen und entsprechend gestalteten Reaktionsschaufelnkranz (3) abgestützt wird.