Abgasturbolader sind seit langer Zeit bekannt und,
speziell bei 4-Takt-Dieselmotoren, oft zur Anwendung
gekommen. So z. B. ist aus der Anmeldung DE 31 20 739 ein
Abgasturbolader 10 mit Abgasreinigungsvorrichtung 8
für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, mit einer Abgas
turbine 11, einem Verdichter 12, und einer Welle, als starre
mechanische Verbindung zwischen Abgasturbine 11 und
Verdichter 12 und einer katalytischen Abgasreinigungsanlage
8. Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich der
Gegenstand des vorliegenden Anspruches 1 und der anderen
Ansprüche durch seine verbleibenden kennzeichnenden Merkmale,
denen wegen ihrer erfinderischen Höhe somit patentbegründende
Bedeutung zukommt.
Exhaust gas turbochargers have been known for a long time and are often used, especially in 4-stroke diesel engines. So z. B. is known from the application DE 31 20 739 an exhaust gas turbocharger 10 with exhaust gas cleaning device 8 for internal combustion engines, with an exhaust gas turbine 11 , a compressor 12 , and a shaft, as a rigid mechanical connection between the exhaust gas turbine 11 and compressor 12 and a catalytic exhaust gas cleaning system 8 . The subject matter of the present claim 1 and the other claims differs from this state of the art by its remaining characteristic features, which because of their inventive level are therefore of patent-fundamental importance.
Die Abgase eines Motors (M) treiben auch hierbei
eine Abgas-Turbine (A) an, die über eine Welle (W)
einen Verdichter (V) antreibt, der die Ladungsdichte
des Motors (M) und damit dessen maximale Leistung
vergrößert. Anlagen für die katalytische Reinigung
von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen (Motoren),
-Katalysator- (K) genannt, werden auch schon seit
geraumer Zeit zur Reduzierung bzw. Oxidation
schädlicher Anteile der Verbrennungsgase (NO₂, CO, CmHn)
in weniger schädliche Verbindungen (CO₂, H₂O, N₂) genutzt.
Die Verwendung von Katalysatoren stieß, speziell beim
4-Takt-Dieselmotor, aber immer noch auf Probleme: Der
relativ hohe Rußanteil der Verbrennungsgase führte zum
regelrechten Verstopfen des Katalysators und, aus dem
gleichen Grund, zum Ausfall des Sensors (11) für die
Abgaszusammensetzung und zur Behinderung des Abgas
stromes. Zudem liegen die Abgastemperaturen der Diesel
motoren weitaus niedriger, als die vergleichbarer
Motoren, die mit dem "Otto-Treibstoff" Benzin betrieben
werden, und deren Abgase relativ problemlos bis zu 90%
mittels Katalysator zu entgiften sind. Das in einen
Katalysator (K) einströmende Abgas erreicht also beim
Dieselmotor in vielen Betriebszuständen (z. B. im Leer
lauf) nicht einmal die notwendige Reaktionstemperatur.
Die Leistungserhöhung eines 4-Takt-Dieselmotors durch
die Erhöhung der Ladungsdichte des Motors mittels
Abgasturbolader brachte zudem, wegen der, bei notwendig
werdender, plötzlicher Drehzahlerhöhung des Motors,
verzögert einsetzenden Abgasturbinen-Drehzahlerhöhung
eine Verzögerung der Aufladung durch den Verdichter
und damit eine verzögerte Erhöhung der Ladungsdichte
und der Leistung des Motors mit sich. Konnte durch eine
geschickte Anpassung der Brennstoff-Einspritzanlage des
betreffenden Motors eine übermäßig hohe Brennstoff-Ein
spritzmenge in den Brennraum und damit ein extremer
Schadstoff-Ausstoß (Ruß) noch vermieden werden, so kam
es bei einer notwendigen, plötzlichen Drehzahlerhöhung
jedoch immer noch zu einer verzögert einsetzenden
Erhöhung der Ladungsdichte und damit der potentiellen
Leistung des betreffenden Motors. Kleinere, und damit
"schneller ansprechende" Abgasturbolader brachten nur
wenig Besserung. Der relativ starke Rußausstoß des
Motors mit Abgasturbolader machte nicht nur den Einsatz
eines Katalysators herkömmlicher, bewährter Bauart
unmöglich (s. o. ), sondern stellte schon, für sich
betrachtet, eine Belastung für die Umwelt dar. Rußfilter,
die den Ruß sammeln und so von Katalysator und Umwelt
fernhalten, und die in bestimmten Zeitabständen zur
Erhaltung ihrer Reinigungswirkung immer wieder, z. B.
durch Abbrennen, von der Rußschicht gereinigt werden
müssen, zeigten sich bisher als relativ kompliziert,
teuer und störungsanfällig. Zudem wurde der mechanische
Wirkungsgrad nicht unerheblich verschlechtert. Die
erfindungsgemäße Konstruktion bietet dagegen eine
Abgasreinigungsvorrichtung und einen hervorragenden,
"schnell ansprechenden" Abgasturbolader in einem
Bauteil. Die Verbrennungsgase (Abgas) aus dem Motor
(M) werden während des "Auspuff-Taktes" jeweils in die
Abgasleitung (1) ausgestoßen und von dieser in die
Brennkammer (2) geleitet, die integriertes Bestandteil
des Gehäuses (3) des Abgasturboladers ist. Die Abgase
vermischen sich mit der, durch den Frischluft-Einlaß
(16) über den Frischluft-Kanal (17) aus der Frischluft-Lei
tung (15) nachströmenden Frischluft, wodurch, u. a., der
Rußanteil der Verbrennungsgase verbrannt wird. Durch
die Einspritz-Düse (6) in das Flammrohr (4) eingespritzter
Brennstoff wird mit Frischluft von der herkömmlichen
elektrischen Zündvorrichtung (18) gezündet. Der, aus dem
Flammrohr (4) austretende, heiße Abgasstrahl beschleu
nigt die Verbrennung des Rußes, erhöht die Temperatur
der in den Katalysator (K) einströmenden Abgase und
erhöht zudem die Drehzahl der herkömmlichen Abgastur
bine (A), die Drehzahl des Verdichters (V), und damit die
Ladungsdichte, ohne, daß die Abgasturbine (A) von den
Verbrennungsgasen des Motors (M) angetrieben werden
müßte. Die Regelelektronik (8) ist so geschaltet und
mit der Einspritzpumpe (7), den Sensoren (10, 9, 11, 12,
13, 14) für die Abgaszusammensetzung Abgastemperatur,
Kurbelwinkel (α), dem Druck im Ansaugtrakt
und für die Gashebelstellung so verbunden, daß im
Falle einer notwendigen, plötzlichen Drehzahlerhöhung
des Motors (M), gesteuert durch den Gashebel, die
Brennstoffeinspritzung von der Einspritzpumpe (7)
über die Einspritz-Düse (6) in das Flammrohr (4) und
die Zündung so vorgenommen wird, daß hieraus eine
praktisch sofortige Drehzahlerhöhung der Abgasturbine
(A), des Verdichters (V), und damit eine Erhöhung
der Ladungsdichte des Motors (M) resultiert, die zu
einer fast sofortigen Steigerung der mechanischen
Leistung des Motors (M),bei jeweils entsprechend über
die herkömmliche Einspritzanlage des Motors (M) erhöhter
Brennstoff-Einspritzmenge in die Brennräume des Motors
(M) führt. Diese Drehzahländerung wird durch die Än
derung der Stellung des Gashebels, die über den Sensor
(14) erfaßt wird, gesteuert. Die Leistung/Drehzahl des
Motors (M) wird somit praktisch gleichzeitig mit der
von Bedienungspersonal herbeigeführten Änderung der
Gashebelstellung ohne die, sonst für Abgasturbolader
typische Verzögerung erhöht. Ein Teil der vom Verdich
ter komprimierten Frischluft wird in die Frischluft-Lei
tung (15) abgezweigt, von wo sie über den Frischluft-Kanal
(17) und den Frischluft-Einlaß (16) in die Brenn
kammer (2) geleitet wird. Zudem wird bei der
erfindungsgemäßen Konstruktion durch die Regelelektronik
(8) die Einspritzpumpe (7) zur Einspritzung und die Zünd
vorrichtung (18) betätigt, sollte die Abgastemperatur,
die über den Sensor (10) gemessen wird, unter den kriti
schen, d. h., den für eine katalytische Abgasreinigung
notwendigen Minimalwert sinken. Dies kann in bestimmten
Betriebsphasen des Motors (M) (Leerlauf, Warmlaufphase,
usw.) der Fall sein. Die erfindungsgemäße Konstruktion ist
zudem, aufgrund ihrer relativ einfachen Gestaltung, auch
für die Nachrüstung von herkömmlichen Dieselmotoren und
Motoren nach meinen Anmeldungen DE 37 15 750 und DE 38
02 836, zusammen mit dem herkömmlichen Katalysator (K)
für die restliche Entgiftung der Verbrennungsgase bis
unter, auch die strengsten gesetzlichen Vorschriften
erfüllende Grenzwerte, geeignet. Die mögliche, sofortige
Erhöhung der Ladungsdichte macht auch den Einsatz bei
Motoren, bei denen es auf eine sehr schnelle Drehzahl-Er
höhung bei einer Änderung der Gashebelstellung ankommt,
d. h., wo ein "sehr gutes Ansprechverhalten" erwünscht
ist, wie, z. B., bei Wettbewerbsfahrzeugen, interessant.
So ist auch durchaus der Einsatz der erfindungsgemäßen
Konstruktion bei 4-Takt-Otto und Zweitakt-Motoren also,
und nicht zuletzt, bei Motoren, die als 4-Takt-Motoren mit
nicht selbstzündenden Brennstoffen entsprechend meinen
Anmeldungen DE 37 15 750 bzw. DE 38 02 836 konzipiert
sind, interessant.The exhaust gases from an engine (M) also drive an exhaust gas turbine (A), which drives a compressor (V) via a shaft (W), which increases the charge density of the engine (M) and thus its maximum output. Plants for the catalytic purification of exhaust gases from internal combustion engines (engines), catalyst (K), have also been used for some time to reduce or oxidize harmful portions of the combustion gases (NO₂, CO, C m H n ) in less harmful compounds (CO₂, H₂O, N₂) used. The use of catalytic converters, especially with the 4-stroke diesel engine, still encountered problems: the relatively high soot content of the combustion gases led to the clogging of the catalytic converter and, for the same reason, to failure of the sensor ( 11 ) for the exhaust gas composition and to obstruct the exhaust gas flow. In addition, the exhaust gas temperatures of diesel engines are much lower than comparable engines that run on "petrol" gasoline and whose exhaust gases can be detoxified up to 90% relatively easily using a catalytic converter. The exhaust gas flowing into a catalytic converter (K) does not even reach the required reaction temperature in many operating conditions (e.g. idling) in the diesel engine. The increase in performance of a 4-stroke diesel engine by increasing the charge density of the engine by means of an exhaust gas turbocharger also caused a delay in charging by the compressor and thus a delayed increase in the exhaust gas turbine speed increase, which occurs with a sudden increase in engine speed when necessary Charge density and engine performance. Could a clever adjustment of the fuel injection system of the engine in question an excessive amount of fuel injected into the combustion chamber and thus an extreme emission of pollutants (soot) still be avoided, but there was still a sudden, sudden increase in speed delayed increase in charge density and thus the potential performance of the engine in question. Smaller, and thus "faster responding" turbochargers brought little improvement. The relatively high soot emissions of the engine with exhaust gas turbocharger not only made it impossible to use a conventional, tried and tested design (see above), but in itself was a burden on the environment. Soot filters that collect the soot and thus from the catalyst and Keep the environment away, and keep the cleaning effect at certain intervals, e.g. B. by burning, must be cleaned from the soot layer, have so far been found to be relatively complicated, expensive and prone to failure. In addition, the mechanical efficiency has deteriorated not inconsiderably. The construction according to the invention, on the other hand, offers an exhaust gas purification device and an excellent, "quickly responding" exhaust gas turbocharger in one component. The combustion gases (exhaust gas) from the engine (M) are expelled into the exhaust pipe ( 1 ) during the "exhaust cycle" and from there into the combustion chamber ( 2 ), which is an integral part of the housing ( 3 ) of the exhaust gas turbocharger. The exhaust gases mix with the fresh air flowing in through the fresh air inlet ( 16 ) via the fresh air channel ( 17 ) from the fresh air line ( 15 ), whereby, among other things, the soot portion of the combustion gases is burned. Fuel injected into the flame tube ( 4 ) through the injection nozzle ( 6 ) is ignited with fresh air by the conventional electrical ignition device ( 18 ). The hot exhaust gas jet emerging from the flame tube ( 4 ) accelerates the combustion of the soot, increases the temperature of the exhaust gases flowing into the catalyst (K) and also increases the speed of the conventional exhaust gas turbine (A), the speed of the compressor (V ), and thus the charge density, without the exhaust gas turbine (A) having to be driven by the combustion gases of the engine (M). The control electronics ( 8 ) are switched in this way and with the injection pump ( 7 ), the sensors ( 10 , 9 , 11 , 12 , 13 , 14 ) for the exhaust gas composition, exhaust gas temperature, crank angle (α), the pressure in the intake tract and for the throttle position connected that in the event of a sudden, sudden increase in engine speed (M), controlled by the throttle control, the fuel injection from the injection pump ( 7 ) via the injection nozzle ( 6 ) into the flame tube ( 4 ) and the ignition is carried out in this way, that this results in a practically immediate increase in the speed of the exhaust gas turbine (A), the compressor (V), and thus an increase in the charge density of the engine (M), which leads to an almost immediate increase in the mechanical output of the engine (M), each correspondingly above the conventional injection system of the engine (M) leads increased fuel injection quantity into the combustion chambers of the engine (M). This speed change is controlled by the change in the position of the throttle lever, which is detected by the sensor ( 14 ). The power / speed of the engine (M) is thus increased practically simultaneously with the change in the throttle lever position brought about by operating personnel without the deceleration which is otherwise typical for exhaust gas turbochargers. A portion of the compressed air compressed by the compressor is branched into the fresh air line ( 15 ), from where it is passed through the fresh air channel ( 17 ) and the fresh air inlet ( 16 ) into the combustion chamber ( 2 ). In addition, in the construction according to the invention by the control electronics ( 8 ), the injection pump ( 7 ) for injection and the ignition device ( 18 ) is actuated, the exhaust gas temperature, which is measured by the sensor ( 10 ), should be below the criteria, ie, the minimum value required for catalytic exhaust gas purification decrease. This can be the case in certain operating phases of the engine (M) (idling, warm-up phase, etc.). The construction according to the invention is also, due to its relatively simple design, also for retrofitting conventional diesel engines and engines according to my applications DE 37 15 750 and DE 38 02 836, together with the conventional catalyst (K) for the remaining detoxification of the combustion gases up to below , also meet the most stringent legal requirements. The possible, immediate increase in the charge density also makes use in engines in which it is a matter of a very rapid increase in speed when changing the throttle lever position, ie where a "very good response" is desired, such as, for. B., in competition vehicles, interesting. So is the use of the construction according to the invention in 4-stroke gasoline and two-stroke engines, and not least, in engines that are 4-stroke engines with non-self-igniting fuels according to my applications DE 37 15 750 and DE 38 02 836 are interesting.
BezugszeichenlisteReference list
1 Abgasleitung (Fig. 1, 2, 3,)
2 Brennkammer (Fig. 2)
3 Gehäuse (Fig. 2)
4 Flammrohr (Fig. 2)
5 Ansaugtrakt des Motors (Fig. 1)
6 Einspritz-Düse (Fig. 1, 2)
7 Einspritzpumpe (Fig. 1)
8 Regelelektronik (Fig. 1)
9 Sensor (Abgasdruck) (Fig. 1)
10 Sensor (Abgastemperatur) (Fig. 1)
11 Sensor (Abgaszusammensetzung) (Fig. 1)
12 Sensor (Position der Kurbelwelle) (Fig. 1)
13 Sensor (Druck im Ansaugtrakt) (Fig. 1)
14 Sensor (Gashebelposition) (Fig. 1)
15 Frischluft-Leitung (Fig. 2)
16 Frischluft-Einlaß (Fig. 2)
17 Frischluft-Kanal (Fig. 2)
18 Zündvorrichtung (Fig. 1, 2)
19 Brennstofftank (Fig. 1)
M Motor (Verbrennungskraftmaschine 4-Takt-Diesel (Fig. 1, 3)
A Abgasturbine (Fig. 1, 2, 3)
K Katalysator (Fig. 1)
W Welle (Fig. 1, 3)
KW Kurbelwelle (Fig. 1)
m Imaginäre Längsachse der Ansaugleitung (Fig. 2)
C Kurve durch die Querschnittsmittelpunkte (Q) (Fig. 2)
Q Querschnittsmittelpunkte der Brennkammer (Fig. 2)
α Kurbelwinkel
h Drehfrequenz
PA Druck im Ansaugtrakt (5) 1 exhaust pipe ( Fig. 1, 2, 3,)
2 combustion chamber ( Fig. 2)
3 housing ( Fig. 2)
4 flame tube ( Fig. 2)
5 intake tract of the engine ( Fig. 1)
6 injection nozzle ( Fig. 1, 2)
7 injection pump ( Fig. 1)
8 control electronics ( Fig. 1)
9 sensor (exhaust gas pressure) ( Fig. 1)
10 sensor (exhaust gas temperature) ( Fig. 1)
11 sensor (exhaust gas composition) ( FIG. 1)
12 sensor (position of the crankshaft) ( Fig. 1)
13 sensor (pressure in the intake tract) ( Fig. 1)
14 sensor (throttle position) ( Fig. 1)
15 fresh air line ( FIG. 2)
16 fresh air inlet ( FIG. 2)
17 fresh air duct ( FIG. 2)
18 ignition device ( FIGS. 1, 2)
19 fuel tank ( Fig. 1)
M engine (internal combustion engine 4-stroke diesel ( Fig. 1, 3)
A exhaust gas turbine ( Fig. 1, 2, 3)
K catalyst ( Fig. 1)
W wave ( Fig. 1, 3)
KW crankshaft ( Fig. 1)
m Imaginary longitudinal axis of the suction line ( Fig. 2)
C curve through the cross-sectional center points (Q) ( FIG. 2)
Q cross-sectional center points of the combustion chamber ( FIG. 2)
α crank angle
h rotational frequency
PA pressure in the intake tract ( 5 )