DE2027732C3

DE2027732C3 - Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2027732C3
Application number: DE2027732A
Authority: DE
Inventors: Takumi Hiroshima Muroki (Japan)
Original assignee: Toyo Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1969-06-09
Filing date: 1970-06-05
Publication date: 1974-07-25
Also published as: DE2027732B2; CA928975A; SE370982B; GB1312978A; US3665711A; DE2027732A1; FR2050109A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen, mit einem eine Reaktorkammer umschließenden Innengehäuse, einem dieser unter Bildung eines Zwischenraums umgebenden Außengehäusc, sowie mit in das Innengehäuse führenden Ein- und Austrittslcitungen für das Abgas und einer in den Zwischenraum führenden Frischluftleitung mit einem von Betriebskennwerten gesteuerten Regelventil.

Die aus Brennkraftmaschinen austretenden Gase haben je nach dem Betriebszustand des Motors einen mehr oder weniger großen Anteil an unverbrannten, schädlichen Gasbestandteilen. Das Abgas wird daher zur Beseitigung der unverbrannten schädlichen Gasbestandtcilc einer Vorrichtung zum Reinigen der Abgase zugeführt, in welcher die unverbrannten Gasbcstandtcilc nachverbrannt werden. Um eine gute Nachverbrennung der unverbrannten Gasbestandteile zu gewährleisten, wird derartigen Nachvcrbrcnnungsvorrichtungen, Frischluft zugeführt.

Eine Nachverbrcnnungsvorrichtting arbeitet nur dann zufriedenstellend, wenn die Vorrichtung nach der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine möglichst rasch auf ihre optimale Betriebstempreatur gebracht und während des Betriebes der Maschine auf dieser gehalten wird. Dies setzt eine Wärmeisolierung der Nachverbrennungsvorrichtung gegen die Umgebung voraus, um eine unerwünschte Wärmeabstrahlung der Reaktionskammer der Nachverbrennungsvorrichtung zu verhindern. Mit zunehmender Wirksamkeit der Wärmeisolierung steigt die Temperatur

ίο in der Reaktionskammer, wodurch der Bcsehigungsgrad der unverbrannten, schädlichen Gasbestandteile erhöht wird. Auf der anderen Seite führen gute Wärmeisolierungen zu unkontrollierbaren hohen Temperaturen in der Reaktorkammer, denen das diese umschließende Innengehäuse standhalten muß. Das Innengehäuse ist auf Grund der hohen Temperaturen einer übermäßigen Korrosion und großen Rißbildungsgefahr ausgesetzt, so daß die Lebensdauer der Nachverbrennungsvorrichtung verkürzi wiiJ. Das In-

ao nengehäusc muß daher auf Grund der großen Beanspruchungen aus einem teuren, wärme- und korrosionsbeständigen Material hergestellt werden. Da mit zunehmender Temperatur die Korrosionsgefahr des Materials steigt, muß daher mit Rücksicht auf die Lebensdauer die Wärmeisolierung so ausgestaltet werden, daß übermäßig hohe Temperaturen nicht auftreten können, v, adurch allerdings die Wirksamkeit der Nachvcrbrennungsanlage nachläßt.

Es ist allgemein bekannt, daß der Anteil der im Abgas enthaltenen schädlichen Gasbestandteile im Leerlauf und bei niedrigen Drehzahlen, sowie bei Verzögerung oder geringer Belastung der Brennkraftmaschine sehr hoch ist, während der Anteil an schädlichen Gasbestandteilcn bei hoher Drehzahl und hoher Belastung der Brennkraftmaschine verhältnismäßig klein ist. Es ist daher notwendig und allgemein üblich, die Menge der Frischluft, die für die erforderliche Nachverbrennung der Nachvcrbrcnnung.sanlagc zugeführt werden muij·, in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu steuern. Der Nachvcrbrennungsanlage wird daher im Leerlauf, bei Verzögerung oder bei geringerer Belastung der Brennkraftmaschine eine große Menge Frischluft zugeführt, um die in diesen Betriebszuständen auftretenden hohen Anteile unverbranntcr Gasbestandteile wirksam verbrennen und oxydieren zu können. Auf der anderen Seite braucht der Nachverbrcnnungsanlage nur eine geringe Luftmengc zugeführt zu werden, wenn die Brennkraftmaschine bei hoher Drehzahl und hoher Belastung läuft, da in diesc.i Betricbszuständcn der Anteil an unverbrannten schädlichen Gasbestandteilcn gering ist.

Wenn die Brennkraftmaschine mit bohcrDrehzahl und unter hoher Belastung läuft, hat das Abgas eine wesentlich höhere Temperatur als bei Leerlauf und niedriger Belastung. Die den Reaktorraum der Nachvcrbrennungsanlage umschließenden Gehäusewände werden daher bei hoher Drehzahl und hoher Belastung der Brennkraftmaschine besonders bcansprucht, da die Wände der Reaktionskammer nicht nur der großen Wärmemenge des ankommenden Abgases sondern auch noch der Wärme ausgesetzt sind, die durch die Nachverbrennung erzeugt wird. Hierdurch ergibt sich eine außerordentlich starke Wärmcbelastung des die Reaktionskammer umschließenden Gehäuses, was zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Nachverbrennungsanlage führt. Man ist daher allgemein dazu übergegangen, der Nachvcrbren-

nungsanlage keine Frischluft zuzuführen, wenn die Brennkraftmaschine mit hoher Drehzahl und/oder hoher Belastung läuft.

I.s sind beispielsweise Nachverhrennungsanlagen bekannt, die aus zwei ineinander angeordneten Gehäusen bestehen, die voneinander in ullseitigem Abstand liegen und einen Zwischenraum zwischen sich einschließen. Das Inneugehüuse ist mit Hin- und Auslriltslcitungcn für das Abgas verschen, während der Zwischenraum zwischen dem Innen- und Außen-{',ehäuse an eine Frischluftleitung angeschlossen ist, durch die Frischluft in den Zwischenraum eintritt und an der Außenwand des Innengehäuses enllangstreicht und nach der Vorwärmung durch das Innengehäuse in die Reaktorkamnier eintritt.

Durch eine derartige Ausgestaltung der bekannten Nachverbrennungsanlagen sollte auf der einen Seite eine Kühlung des den Reaktorraum umschließenden Innengehäuses und auf der anderen Seite eine den Wirkungsgrad der Verbrennung erhöhende Vorwärmung der Frischluft erzielt werden. Diese angestrebten Ziele lassen sich jedoch mit den bekannten Nachverbrennungsvorrichtungen nicht erzielen.

Da die durch das Innengehäuse aufi»ehei?le Frischluft anschließend in die Reaktorkammer eintritt, wird clie von der Frischluft zunächst aufgenommene Wärme praktisch wieder an die Reaktionskammer abgegeben, wobei zu berücksichtigen ist. daß diL-Verbrennung auf Grund der Vorerhitzung der Frischluft stärker verläuft und zur Er/euüun» \on mehr Wärme führt, als wenn nicht vorerhitzte Frischluft direkt in die Reaktorkammer eingeführt werden würde. Dies führt dazu, daß das die Reaktorkammer umschließende Inncngehäuse sehr stark aufgeheizt wird und letzten Endes das Inncngehäuse rieht stärker gekühlt wird, als bei einer Ausführung, bei der nicht vorerhitzte Frischluft direkt h die Reaktionskammer eingeführt wird. Da den bekannten N'chverbrcnnungsvor^ htungen auch dann Frischluft zugeführt wird, wenn die Brennkrafimaichinc mit hoher Drehzahl und/oder hoher Belastung läuft, wird dabei das Inncngehäuse nicht nur von den ohnehin schon sehr heiß ankommenden Abgasen sondern auch noch von der durch die Nachverbrennung entstehende Wärme aufgeheizt. Das Innengeliä'jse wird daher zunehmend erhitzt, so daß sich Risse und Verformungen bilden, die zu einer baldigen Zerstörung und Funktionsunfähigkeii der bekannten Nachverbrennungsvorrichtungen führen können.

Fs ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen zu schaffen, die unter Einhaltung eines optimalen Reinigungsgrads des Abgales mit sehr einfachen technischen Maßnahmen auf einer optimalen Betriebstemperatur ohne die Gefahr reitlicher und örtlicher Überhitzungen gehalten wer- »len kann.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß an den Zwischenraum eine Luftaustrittsöffnung angeschlossen ist und die in den Zwischenraum führende Frischluftleitung über eine Verbindungsleitung mit der Abgascintrittslcitung verbunden ist und daß das Rcgelventi! derart steuerbar ist, daß der größte Teil der angelieferten Frischluft bei niedriger Temperatur der Maschine rider der Reaktorkammer und bei niedriger Drehzahl oder Belastung der Maschine in die Abgaseintrittsie· lung, dagegen bei hoher Temperatur der Maschine oder Reaktorkammef und bei hoher Drehzahl und/oder Belastung der Maschine in den Zwischenraum gelangt.
Gemäß der Erfindung wird bei niedriger Drehzahl

:, und/oder niedriger Belastung der Brennkraftmaschine der größte Teil der Frischluft nicht als Kühlluft, sondern als Verbrennungsluft für die Nachverbrennung verwendet, wohingegen bei hoher Drehzahl und/oder hoher Belastung der größte Teil der Frischluft als Kühlluft verwendet wird. Dies entspricht den tatsächlichen Erfordernissen, da bei niedriger Drehzahl und/oder niedriger Belastung der Maschine die Abgastemperaiiir nicht sehr hoch ist, das Abgas jedoch viele schädliche unverbrannte Bestandteile enthält, die durch eine Nachverbrennung beseitigt werden sollen. Andererseits sind bei hoher Drehzahl und/oder hoher Belastung der Maschine im Abgas nur wenige schädliche unverbiannie Bestandteile enthalten, jedoch ist die Temperatur des Abgases sehr

hoch. Auf Grund der erfindjngsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung zum Rt' iigen der Abgase ist es möglich, die Betriebstemperatur -inter 900 C zu erhalten, wodurch einerseits eine optimale: Betriebstemperatur erzielt wird und andererseits Vorausset-

xiMigen geschaffen werden, die eine lange Lebensdauer der Nachv.-rbrennungsvorrichtung gewährleisten.

Unter gewissen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine kann es zweckmäßig sein, daß das Regelventil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Reinigen der Abgase derart steuerbar ist, daß bei Unterschreiten bestimmter Temperaturen, Drehzahlen und/oder Belastungen die gesamte angelieferte Frischluft der Abgaseintrittsleitung zugeführt wird.

während bei Überschreitung bestimmter Temperaturen. Drehzahlen und/oder Belastungen die gesamte angelieferte Frischluft dem Zwischenraum zugeführt wird. Bei dieser Art von Regelung des Regelventils liegen die unteren Betriebskennwerte und die oberen

4<·) Betriebskennwerte auseinander, so daß das Regelventil in einem bestimmten Bereich stufenlos steuerbar ist, um den jeweiligen BiMriebsverhältnissen der Brennkraftmaschine Rechnung tragt» und die zugefiihrte Frischluft je nach den Erfordernissen mehr als Kühlluft oder Brennluft verwenden zu können.

Wenn die Luftaustrittslcitung gegen die Atmosphäre hin offen ist und eine Sc'nalldämpfeinrichtung aufweist, kann die Geschwindigkeit der durch den Zwischenraum tier erfindungsgemäßen Abgasreinigungsvorrichtrng hinein ichtretenden Luft entsprechend dem Strömungswiderstand der Schalldämpf-.inrichtung gesenkt werden, wodurch eine unerwünschte Abkühlung des innengchäuses unter einen bestimmten Temperaturwert verhindert werden kann.

Im Nachstehenden wird ein Ausiühruiigsbcispicl der Erfindung an Hand einer Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgcmäiie Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen.

Die in der Zeichnung dargestellte Nachverbrennungsvorrichtung 1 weist ein eine Reaktorkammer 2 umschließendes Innengehäuse3 und ein dieses 3 unter Bildung eines Zwischenraums 4 umgebendes Außengehäuse S auf. Das Außengehäiise 5 ist im Abstand von einem Schutzmantel 6 umgeben, der mit diesem einen Zwischenraum 7 bildet, der mit wärmedämmendem Material ausgefüllt sein kann. Das Innengehäuse 3 ist mit einer Eintrittsleitung 8 und einer

Austritlslcitung9 für das Abgas verschen. Die den Schutzmantel 6 und das Außengehäuse 5 durchdringende Abgaseintritlsleitiing 8 ist mit einer nicht dargestellten Abgasleitung der Brennkraftmaschine verbunden, um das Abgas in die Reaktorkammcr2 einzuleiten. Die Abgasaustrittslcitung 9 ist mit einem nicht dargestellten Auspuffrohr verbunden, um das in der Reaktorkammer 2 nachverbrannte Abgas abzuleiten.

Eine Frischluftleitung 1(1 verbindet eine Luftpumpe 11 über eine Einlaßöffnung 12 im AußengehäuscS mit dem Zwischenraum 4. Die Frischluftleitung 10 ist über eine Vcrbindiingsleitung 13 mit der Abgaseintrittsleitung 8 verbunden, so daß Frischluft für die Nachverbrennung des Abgases der Reaktorkammer 2 zugeführt werden kann. Die Vcrbindiingsleitung 13 kann direkt in die Abgaseintrittsleitung 8 oder in eine andere zur Aligaseintrittsleitung 8 führende Leitung münden. Die Frischluftleitung 10 ist nach der Abzweigstelle der Vcrbindungsleitung 13 mit einem Regelventil 14 versehen, das sich öffnet, wenn die Motordrehzahl oder die Fahrzeuggeschwindigkeit einen bestimmten Wert überschreitet oder wenn der Unterdruck in der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine einen bestimmten Wert unterschreitet. Eine in das Außengehäuse 5 mündende Luftaustrittslcitung 15 verbindet den Zwischenraum 4 mit der Atmosphäre. Die Luftaustriltsleitung 15 ist mit einer Schalldämpfeinrichtung 16 versehen, die die Geräuschentwicklung, der durch den Zwischenraum 4 an die Atmosphäre abgegebenen Luft vermindert. Verbindungsflansche 17 und 18 dienen zur Verbindung der Nachvcrbrennungsvorrichtung 1 mit der Brennkraftmaschine und der Abgasleitung.

Wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit niedrig ist oder unterhalb eines bestimmten Wertes liegt, oder wenn sich die Motordrehzahl unter einem bestimmten Wert befindet, ist das Regelventil 14 geschlossen, so daß die gesamte von der Luftpumpe 11 gelieferte Luft über die Verbindungsleitung 13 der Nachverbrcnnungs"orrichtung zugeführt wird. Die der Nachverbrennungsvorrichtung zugeführte Luft vermischt sich mit dem von der Brennkraftmaschine kommenden Abgas, das in diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine einen hohen Anteil an schädlichen >unverbrannten Gasbestandteilen hat. Das Gemisch aus Abgas und Frischluft tritt durch die Abgaseintritts-Icitung8 zur Nachverbrennung in die Reaktorkammer 2 ein. Das in dieser nachverbrannte Abgas hat viel weniger unverbraunte schädliche Gasbestandteile, so daß das Abgas in gereinigtem Zustand durch die Austrittsleitung 9 austritt und über das Auspuffrohr an die Atmosphäre abgegeben wird.

Wenn die Fahrzeuggesciiwindigkeit hoch ist, bzw. über einer bestimmten Geschwindigkeit liegt, oder wenn sich die Motordrehzahl über einem bestimmten Wert befindet, wird das Regelventil 14 geöffnet, so daß sämtliche von der Luftpumpe 11 gelieferte Luft in den Zwischenraum 4 geführt wird. Auf diese Weise wird das Innengehäuse 3 von der durch den Zwischenraum 4 hindurchströmenden Luft zwangläufig gekühlt, wenn die Maschinendrehzahl und damit die Temperatur des Abgases in der Reaktorkammer hoch wird. Da gleichzeitig keine Frischluft der Nachverbrennungsvorrichtung zugeführt wird, wird Jas Abgas in der Reaktorkammer 2 nicht nachverbrannt, so daß die Temperatur der Nachverbrennungsvorrichtung 1 nicht erhöht wird. Da bei der erfindmigsgcmäßcn Vorrichtung der Zwischenraum 4 als das Innengehäuse umgebender Kühlraum ausgebildet ist. wird das Innengeliäusc 3 von der den Zwischenraum 4 durchströmenden Luft wirksam gekühlt, so daß in der Reaktorkammer 2 keine hohen Temperaturen auftreten und das Innengehäuse 3 keinen großen, zu Rissen führenden Wärmebcanspruchungen ausgesetzt ist. Demgemäß kann für das Inncngchäusc 3 ein viel billigeres Material bei cinfaeher Ausführung verwendet werden, so daß die Lebensdauer beträchtlich verlängert wird. Obgleich die Temperaturen des Innengehäuses 3 durch die Kühlluft beträchtlich verringert werden, wird die Temperatur in der Reaktorkammer 2 in der Nähe des Inncngchäuses3 nur ein wenig gesenkt, so daß die Nachverbrennung nicht nachteilig beeinflußt wird. Der als Kühlraum ausgebildete Zwischenraum 4 führt neben einer Kühlung des Innengehäuses3 auch zu einer Kühlung des Außengehäuses 5, so daß eine übertragung der hohen Temperatur des Inncngchäuses 3 auf das Außengehäuse 5 verhindert wird. Hierdurch ist wiederum eine Temperaturerhöhung im Zwischenraum verhindert. Da die Temperatur des Außcngehäuscs 5 verringert werden kann, ist es wei-

»5 terhin möglich, auf der Außenseite des Außengehäuses 5 einen Zwischenraum 7 vorzusehen und diesen mit wärmedämmendem oder geräuschdämpfenden Material zu füllen. Ein Temperaturanstieg des Inncngchäuses3 kann daher die Beständigkeit und Lebens-

3" dauer nicht beeinflussen, zumal der Temperaturanstieg durch die Kühlluft begrenzt ist Weiterhin wird verhindert, daß die Temperatur im Maschinenraum steigt, wobei gleichzeitig ein Geräusch auf Grund des dynamischen Drucks des in das Innengehäuses 3 strömenden Abgases absorbiert wird. Weiterhin wird der Betriebsraum durch die hohe Temperatur nicht beeinträchtigt, so daß die Aufenthaltsbedingungen verbessert sind.

Wenn das Regelventil 14 so gesteuert wird, daß dem Zwischenraum 4 nur bei hoher Maschinendrehzahl Kühlluft zugeführt wird, wirkt der Zwischenraum 4 bei niedriger Drehzahl als Wärmeisolierraum, so daß die Anwärmphase zum Aufheizen der Nachvcrbrennungsvorrichtung auf Betriebstemperatur verkürzt und die Betriebstemperatur in der Reaktorkammer 2 auf einem optimalen Wert gehalten wird. Das Regelventil 14 kann ganz allgemein in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Brennkraftmaschine oder in Abhängigkeit von der Maschinenter. .-yeratur, Abgastemperatu^r, Reaktortemperatur od. dgl. gesteuert werden. Wenn es erforderlich ist, kann das Regelventil 14 in der Warmlaufphase oder im Leerlauf der Maschine völlig geschlossen sein, so daß dem Zwischenraum 4 keine Kühlluft zugeführt wird. Wenn die Motordrehzahl zunimmt, kann das Regelventil 14 allmählich geöffnet werden. Weiterhin ist die Luftpumpe 11, die über die Leitung 10 mit dem Zwischenraum 4 verbunden ist, gleichzeitig über die Verbindungsleitung 13 mit der Abgasanlage der Maschine verbunden, so daß bei geschlossenem Regelventil, beispielsweise im Leerlauf der Maschine, die gesamte angelieferte Luft als Brennluft über die Verbindungsleitung 13 der Nachverbrennungsvorrichtung zugeführt wird. Wenn die Maschinendrehzahl zunimmt, wird die Menge der angelieferten Brennluft allmählich verringert, während die Zufuhr von Kühlluft zum Zwischenraum 4 beginnt und allmählich zunimmt. Wenn die Maschinendrehzahl

/orbestimmten Wert überschreitet, wird die von Luft zur Verbindungsleitung 13 unter-, so daß die gesamte, von der Pumpe 11 ange-Luft dem Zwischenraum 4 zugeführt wird.

fe der ertindungsgemäOcn Vorrichtung kann ic Rcinigungswirkung der Nachverbrennungs-

vorrichtung wirksam aufrechterhalten werden, wobei gleichzeitig die Widerstandsfähigkeit und die Lebensdauer verbessert und verlängert werden kann.

Die Luftpumpe 11 kann eine einzelne Luftpumpe oder ein einzelner Verdichter sein, der von der Maschine angetrieben wird.

'Hierzu i Blatt Zeichnungen

409630/286

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Reinigen der Abgase von Brennkraftmaschinen, mit einem eine Reaktorkammer umschließenden Innengehäuse, einem dieses unter Bildung eines Zwischenraums umgebenden Außengehäusc sowie mit in das Innengchäusc führenden Ein- und Austrittslcitungen für das Abgas und einer in den Zwischenraum führenden Frischluftleitung mit einem von Betriebskennwerten gesteuerten Regelventil, dadurch gekennzeichnet, daß an den Zwischenraum (4) eine Luftaustrittsleitung (15) angeschlossen ist und die in den Zwischenraum (4) führende Frischluftleitung (10) über eine Verbindungsleitung (13) mit der Abgaseintrittsleitung (8) verbunden ist, Ml daß das Regelventil (14) derart steuerbar ist, daß der größte Teil der angelieferten Frischluft bei niedriger Temperatur der Maschine oder der Reaktorkammer und bei niedriger Drehzahl, HlOder Belastung der Maschine in die Abgascintrittsleitung, dagegen bei hoher Temperatur der Maschine oder Reaktorkammer und bei hoher Drehzahl und/oder Belastung der Maschine in den Zwischenraum gelangt.

2. Vorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß dos Regelventil (14) derart steuerbar ist, daß bei Unterschreiten bestimmter Temperature!,, Drehzahlen und/oder Belastungen die gesamte angelieferte Frischluft der Abgascin-Irittsleitung (8) zugeführt wird, während bei Überschreiten bestimmter Ten peraturen, Drehzahlen, und/oder Belastungen die gesamte angelieferte Frischluft dem Zwischenraum (4) zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gegen die Atmosphäre hin offene Luftaustrittsleitung (15) eine Schalldämpfeinrichtung 16 aufweist.