DE3412081A1

DE3412081A1 - Abgasreiniger

Info

Publication number: DE3412081A1
Application number: DE19843412081
Authority: DE
Inventors: Helmut 7101 Löwenstein Hübner; Karl Mayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1984-03-31
Publication date: 1984-11-15

Description

P a t e n t b e s c h r e i b u n R :
Die fortschreitende Motorisierung in den zivilisierten Ländern dieser Erde macht sich durch eine immer mehr steigende Umwelt = belastung durch den Schadstoffausstoß der Kraftfahrzeuge in höchst negativer Art und Weise bemerkbar. So verdoppelte sich der Kohlenmonoxidgehalt der Luft in den letzten 10 Jahren und auch Blei, Schwefeldioxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe verpesten in zunehmender Weise unsere Atemluft. Auch die Stick = oxide in den Auspuffgasen tragen in sich verstärkendem Maße zur Umweltbelastung bei. Unsere Wälder werden durch das Oberhand = nehmen dieser Schadstoffe in der Luft in beängstigender Weise geschädigt und besonders der Bestand an Nadelwäldern weist be = reits ein Baumsterben von über 30 % auf. Nun beabsichtigt man, durch die Einführung von bleifreiem Benzin und dem damit ver = bundenen Einsatz von Katalysatoren an den Kraftfahrzeugen den Schadstoffanteil in den Auspuffgasen so zu senken, daß die Um = weltbelastung weniger gefährliche Werte erreicht. Diese Kata = lysatoren sollten das Kohlenmonoxid in das weniger gefährliche Kohlendioxid umwandeln und auch unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide vernichten, - so hofft man wenigstens -, das PATENTANMELDUNG: ABGASREINIGER, PATENTBESCHREIBUNG, SEITE 2.
bleifreie Benzin hingegen dient jedoch lediglich dazu, den Einsatz dieser Katalysatoren überhaupt erst zu ermöglichen.
Der geringste Ansatz von Blei auf der Platinschicht der Kata = lysatoren würde deren Entgiftungswirkung in ganz kurzer Zeit zunichte machen. Allerdings machen auch andere Einwirkungen die Katalysatoren schnell unbrauchbar. Wenn z.B. die Zün = dung eines KFZ-Motors schlecht eingestellt ist oder wenn eine Zündkerze versagt, oder der Vergaser ein zu fettes Gemisch liefert, bewirkt ein Verrußen der Platinschicht bereits ein Unwirksamwerden des Katalysators. Auch eine nur kurzzeitig auftretende thermische Belastung durch rasante Fahrweise zerstört den Katalysator in wenigen Sekunden. Der Einsatz von bleifreiem Benzin in Verbindung mit Katalysatoren bringt also keinen Vorteil und steigert nur die Betriebskosten der Kraftfahrzeuge. Bisher werden die Abgase der Kraftfahrzeuge durch den TÜV oder die Verkehrspolizei nur auf ihren Gehalt an Kohlenmonoxid untersucht und die im Versuch befindlichen "Abgasentgifter" waren in ihrer Funktion auch nur auf die Oxidierung bzw. Verbrennung des CO zu C02 hin entwickelt wor = den. Aber inzwischen wurde festgestellt, daß das CO nicht alleine die Abgase der KFZ-Motoren giftig macht. Da gibt es noch die hochgiftigen Stickoxide, die unverbrannten Kohlen = wasserstoffe und geringe Mengen an 502 (Schwefeldioxid), welche die Umwelt weit mehr belasten, als alleine das CO.
Mit zunehmender Abnützung der Kolben, bzw. der Kolbenringe und der damit verbundenen Verringerung des Kompressions = druckes verschlechtert sich die Verbrennung in den KFZ-Mo = toren und damit steigen die Werte an schädlichen Stoffen in den Abgasen. Ein älterer Motor stösst also mehr Schadstoffe in die Umwelt als ein Neuer. Aber wielange ist ein Automo = tor "neu" ? Wahrscheinlich höchstens ein paar Tausend Kilo = meter. Daher ist es irreführend, wenn die Autohersteller in ihrer Werbung immer nur die Abgaswerte fabrikneuer Motoren erwähnen, bzw. diese noch besonders betonen. Zweckmäßiger wäre es, die Abgaswerte der Motoren nach etwa 50.000 gefah = rener Kilometer anzugeben. Aber das wäre sicher nicht im Sinne der kaufmännischen Interessen der Autohersteller. Was den Absatz senken könnte, wird eben dem Kunden verschwiegen.
PATENTANMELDUNG: ABGASREINIGER, PATENTBESCHREIBUNG, SEITE 3.
Die gegenständliche Erfindung hat zum Ziele, die Abgase von Automotoren von den Schadstoffen zu befreien, ohne daß es nötig ist, bleifreies Benzin einzuführen und teure Katalysatoren einzubauen. Es soll die Entgiftung der Abgase derart durch = geführt werden, die die Schadstoffwerte auf so geringe Werte gesenkt werden, ohne daß dabei das Alter des Motors bzw. die bereits gefahrenen Kilometer damit eine Rolle spielen dürfen.
Es war auch das Ziel dieser Entwicklung, den Abgasreiniger nach der gegenständkichen Erfindung derart zu konstruieren, daß er auch nachträglich in jedes Auto eingebaut werden kann.
Ein Abgasreiniger, wie z.B. eine Katalysatoranlage, die nur an eigens dafür konstruierten Motoren verwendet werden kann, ist ein Unding, gemessen an den vielen Millionen jetzt und noch lange im Betrieb befindlicher Autos, die man nicht auf einmal verschrotten kann.
Die einfachste und billigste Möglichkeit zur Entgiftung von Autoabgasen, auch jener von älteren Kraftfahrzeugen, ist die Anwendung eines Thermoreaktors. Eine solche Konstruktion liegt auch der gegenständlichen Erfindung zugrunde. Aber es genügt eben nicht, nur einen Schadstoff aus dem Abgas zu ent = fernen, sondern die Konstruktion dieses Thermoreaktors mußte derart ausgeführt werden, daß sämtliche im Abgas befindliche Schadstoffe zu einem möglichst hohen Prozentsatz aus dem Ab = gas entfernt oder unschädlich gemacht werden. Die Aufgabe = stellung der gegenständlichen Erfindung war nicht leicht, zumal die in den Abgasen vorhandenen Schadstoffe in den ver = schiedensten Konzentrationen auftreten können und auch gänz = lich verschiedene chemische Eigenschaften haben, wobei die chemischen Reaktionen bei den verschiedensten Temperaturen ablaufen. Am leichtesten ist die Entfernung von Kohlenmonoxid und den unverbrannten Kohlenwasserstoffen aus dem Auspuffgas, da diese mit Luftsauerstoff nachoxidieren und dann ungiftige Gase bilden. Dazu ist die Zufuhr von Luft nötig, die in einer, der Abgasmenge konformen Menge in das Auspuffgas eingebracht werden muß, wobei noch obendrein zu berücksichtigen ist, daß bei geringerem Abgasanfall der Schadstoffanteil prozentual immer größer wird, da die meisten Verbrennungsmotoren im Teil = PATENTANMELDUNG: ABGASREINIGER, PATENTBESCHREIBUNG, SEITE 4 lastbereich eine unvollständige Verbrennung und dadurch einen größeren Schadstoffausstoß haben. Bei dem Abgasreiniger nach gegenständlicher Erfindung regelt eine einfache Klappe die Luftzufuhr derart, daß die zugeführte Luftmenge immer optimal den Anforderungen zur Nachoxidierung von CO und HC entspricht.
Die Luftzufuhr selbst wird vom Abgasstrom direkt bewirkt, so daß kein eigener Gebläseantrieb erforderlich ist. Ein zu großer Luftüberschuß wäre für die Abgasentgiftung insofern schädlich, da er die Abgastemperatur zu weit herabsetzen würde, was die Beiseitigung der anderen Schadstoffe erschwert. Die zugeführte Luftmenge muß gerade ausreichen, um die CO und HC-Anteile im Abgas nachzuoxidieren, d.h. möglichst vollständig in ungiftige Substanzen umzuwandeln. Eine Vorwärmung dieser Zusatzluft durch heiße Auspuffteile oder durch das Kühlwasser ist zur Verbesserung der Nachoxidierung günstig. Bis jetzt wird dem Kraftstoff für Otto-Motore zur Erhöhung der Klopf = festigkeit noch Blei in Form von Bleitetraethyl ( C8 H20 Pb ) zugeführt, bzw. zugemischt. Der Abgasreiniger nach gegenständ = licher Erfindung ist auch auf die Reduzierung des Bleigehaltes im Auspuffgas hin ausgelegt. Blei kann aber nicht durch Oxi = dation aus dem Auspuffgas entfernt werden. Auch ein chemi scher Vorgang ist zu dessen Entfernung nicht möglich. Nun hat aber Blei die Eigenschaft, sich in reiner Form auf heißen Metallen niederzuschlagen, selbst wenn es, wie im Bleitetra = ethyl, chemisch an Kohlenstoff und an Wasserstoff gebunden ist.
Da die Fläche für einen solchen Niederschlag entsprechend groß sein muss, kommt nur grobe Metallwolle, (Stahlwolle, Aluminium= wolle etc.) in Frage, um eine wirksame Bleiabscheidung zu er = reichen. Ein solcher Metallwolleinsatz ist sehr billig und könnte bei jedem Ölwechseln ausgetauscht werden.
Während beim Katalysator schon ein geringer Bleiniederschlag dessen Unwirksamkeit herbeiführen würde, kann sich das Blei auf der Metallwolle beliebig lange niederschlagen, es steigt dabei lediglich die Dicke des Niederschlages. Ein eventueller Rußniederschlag auf der Metallwolle brennt bei deren hoher Temperatur mit dem Restsauerstoff nach der CO- und HC-Ver 3 brennung schnell ab.
PATENTANMELDUNG: ABGASREINIGER. PATENTBESCHREIBUNG, SEITE 5 Nun verbleiben im Abgas noch die sehr giftigen Stickoxide, de = ren Anteil im Abgas sich nach der Verbrennungsgüte des betref = fenden Motors richtet. An sich ist die Menge der Stickoxide in den Abgasen von Verbrennungsmotoren sehr gering, aber die Giftig = keit dieser Stickoxide beträgt im Mittel das hundertfache der Giftigkeit des Kohlenmonoxids und daher belasten sie die Umwelt in sehr hohem Maße. Die Stickoxide reagieren mit Ammoniakgas zu ungiftigen Substanzen, dies ist bekannt. Es gibt bereits Entgiftungsanlagen für Kohlekraftwerke, in denen durch Einbla = sen von Ammoniak in die Abgase der Gehalt an Stickoxiden weit = gehendst eliminiert wird. Doch lässt sich dies in Kraftfahr = zeugen nicht durchführen. Es musste daher ein anderer Weg ge = wählt werden, um bei dem Abgasreiniger nach gegenständlicher Er = findung die Stickoxide zu entfernen. So hat z.B. Salmiak die Eigenschaft, bei Erwärmung Ammoniak abzugeben. Das Abgas muß dann nach der Oxidation von Kohlenmonoxid und den Kohlenwasser = stoffen, sowie nach dem Niederschlag des Bleis an der Metallwolle durch zerkleinerte Salmiaksteine in einer bestimmten Korngröße geleitet werden, wobei die Erwärmung des Salmiaks und damit die Abgabe von Ammoniak von der Wärme und der Menge des Abgases ab = hängt. Damit tritt eine Selbstregulierung ein. Viel Abgas bringt viel Ammoniak, wenig Abgas weniger Ammoniak und dieses Ammoniakgas reagiert mit dem Stickoxid zu einem unschädlichen Gas. Mit der Entgiftung nach gegenständlicher Erfindung wird somit die Einführung von bleifreiem Benzin und die Anwendung der teuren Katalysatoren unnötig. Es wäre auch möglich, das Ammon = iakgas an andere Substanzen zu binden und dann im Engifter durch Wärme oder auf eine andere Art freigesetzt zu werden.
Auf den beiden beiliegenden Zeichnungen ist der Abgasreiniger nach gegenständlicher Erfindung schematisch in einer beispiels = weisen Ausführungsform vereinfacht dargestellt. Es stellen dar: Pos. 1 das Gehäuse, in dem der Entgifter mit allen Teilen un = tergebracht ist. Auf eine Detaillierung wurde hier verzichtet.
Pos. 2 ist eine Wärmeisolation, um die chemischen Vorgänge im Entgifter nicht durch die Aussentemperatur zu beeinflussen.
Pos. 3 ist das mit Löchern versehene Verteilerrohr, Pos. 4 ist die Packung aus granuliertem Salmiak. Pos. 5 ist eine Packung aus PATENTANMELDUNG: ABGASREINIGER, PATENTBESCHREIBUNG, SEITE 6 Metallwolle, auf welcher sich das Blei niederschlagen kann.
Pos. 6 sind die Öffnungen im Verteilerrohr, die beliebig ge formt und beliebig groß sein können. Pos. 7 ist das Lauf = rad, durch welches - angetrieben vom Abgas - Luft angesaugt und dem Abgas zur Nachoxidierung von Kohlenmonoxid und der un = verbrannten Kohlenwasserstoffe beigemischt wird. Pos. 8 ist die Welle, an der Pos. 7 angebracht ist. Pos. 9 sind die Schaufeln auf dem Laufrad 7, die beliebig geformt sein können.
Pos. 10 ist das Rohr, bzw. das Gehäuse, durch das die Motor = abgase zum eigentlichen Entgifter (1) gebracht werden und in dem bereits die Nachoxidation des Kohlenmonoxids und der un = verbrannten Kohlenwasserstoffen stattfindet. Pos. 11 ist die Reglerklappe, die durch eine einstellbare Feder bewegt wird und die Aufgabe hat, auch bei geringem Abgasanfall die Gasströ = mung durch Düsenwirkung so zu beschleunigen, daß die Drehzahl des Laufrades (7) hoch genug ist, um die nötige Luftmenge dem Abgas zuzuführen. Dieser Regler ist nötig, da gerade im unte = ren Drehzahlbereich der Schadstoffanteil im Auspuffgas prozen = tual am Höchsten ist. Die Reglerklappe (11) wird nur vom Ab = gasstrom gegen den Federdruck bewegt. Pos. 12 ist eine Zünd = vorrichtung, die bei allen Motordrehzahlen die Nachoxidierung des Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in Gang hält. Bei Motoren mit sehr heissen Abgasen ist diese Zündanlage überflüssig. Pos. 13 (Zeichnung 2) ist die Welle, auf der die Klappe (11) und die hier nicht eingezeich = nete Reglerfeder angebracht sind. Pos. 14 ist ein Sieb, das die Salmiakpackung von der Metallwollpackung trennt. Pos. 15 ist das Gehäuse, in welchem das Laufrad (7) eingebaut und ge = lagert ist.
Funktionsbeschreibung: Das Auspuffgas tritt aus dem Abgassammler des Motors vor der Reglerklappe (11) in den Entgifter ein, öffnet je nach Druck und Gasmenge die Reglerklappe mehr oder weniger weit. Durch die dadurch entstehende Düsenöffnung tritt der Abgasstrahl mit erhöhter Geschwindigkeit zwischen die Schaufeln des Laufrades (7) ein und setzt dieses in rasche Drehung. Dadurch wird Luft über PATENTANMELDUNG: ABGASREINIGER, PATENTBESCHREIBUNG, SEITE ~ 7 die Laufradmitte durch ein Filter, welches auch schalldämpfende Aufgaben hat, angesaugt und über die Schaufeln (9) in den Teil (10) geschleudert und vermischt sich dort. mit dem heißen Ab = gas. Durch die noch große Hitze des Abgases oder durch Nach = hilfe der Zündanlage (12) reagieren Kohlenmonoxid und die noch unverbrannten Kohlenwasserstoffe zu ungiftigen Substanzen. Die hiebei entstehende Wärme ist unbedeutend. Das Gas tritt nun über das Rohr (10) durch die Öffnungen (6) in eine Packung aus Metall = wolle ein, die vom heißen Abgas erhitzt wird. Auf dieser Metall wolle schlägt sich nun das Blei nieder. Dies würde beim Einsatz von Bleibenzin einen Katalysator bereits unbrauchbar-machen, da nur blankes Platin oder Palladium eine Katalysatorwirkung haben.
Hier spielt dies keine Rolle. So würde eine Stahlwollpackung in kurzer Zeit verbleit und damit korrosionsunempfindlich. Im Laufe der Zeit verstärkt sich lediglich die Bleischicht auf der Metallwolle. Nachdem das Abgas nun in einem hohen Maße vom Koh = lenmonoxid, von den unverbrannten Kohlenwasserstoffenund vom Blei befreit ist, tritt es durch das Sieb (14) in die Salmiakstein = packung ein und erhitzt diese. Durch die Erhitzung wird aus dem Salmiak Ammoniakgas, bzw. auch Salmiakgeist ausgetrieben, wobei die Menge dieser Gase in direkter Weise temperaturabhängig ist.
Dadurch tritt eine Art Selbstregelung ein. Viel Abgas bringt auch viel Wärme und damit auch viel Ammoniak. Der Ammoniak = ausstoß passt sich also selbsttätig der Abgasmenge an und hat in dem Abgasreiniger nach gegenständlicher Erfindung die Auf = gabe, die an sich geringen Mengen von noch im Abgas enthaltenen Stickoxiden in ungiftige Gase zu verwandeln. Dies ist ein che = mischer Vorgang, der bereits für andere Zwecke angewendet wird und keiner näheren Erläuterung bedarf. Die nach dem Abgasreiniger noch in die weitere Auspuffleitung eintretenden Gase sind soweit von giftigen Schadstoffen befreit, daß die Umweltbelastung nicht erhöht werden kann und alle Abgaswerte noch unter den gesetzlichen Schadstoffgrenzen liegen. Um nun die Verbrennung im Motor selbst noch zu verbessern, kann an die Welle (8) auch ein Turbolader angeschlossen werden, welcher vorverdichtete Luft zum Motor bringt und durch bessere Verbrennung im Motor weniger Abgase schädlicher Art und einen besseren Wirkungsgrad möglicht macht.
Leistung ist an der Welle (8) noch genug vorhanden, da die Luft = PATENTANMELDUNG: ABGASREINIGER, PATENTBESCHREIBUNG, tE zufuhr zur Nachoxidierung nur wenig Leistung benötigt. Der be = sondere Vorteil des Systems nach gegenständlicher Erfindung be = steht in dem Umstand, daß im Gegensatz zu bereits angewandten Abgasturboladern weder die Gebläseturbine, noch ein Turbolader aus hitzebeständigen Materialien hergestellt sein müssen. Die Gebläseturbine (7) wird wohl vom heißen Abgasstrahl beaufschlagt, kühlt sich aber durch den gleichzeitigen Lufttransport selbst, so daß keine Überhitzung möglich ist. Der eigentliche Turbo = lader kommt überhaupt mit keinen heißen Gasen in Berührung und könnte ohne weiteres aus Kunststoff hergestellt werden.
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Claims

PATENTANMEI.DUN(j: AIS(;ASKI.lNI(;EK, PATENTANSPRÜCHE, rE7 1 P a t e n t 8 fl 5 p r ü c h e 1.) Abgasreiniger, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Motor kommende Auspuffgas über eine federnd variable Düsenklappe ein Verdichterlaufrad in Drehung setzt, wodurch Luft ange = saugt und dem Abgas beigemischt wird, um eine Nachoxidie = rung von Kohlenmonoxid und von unverbrannten Kohlenwasser stoffen zu erreichen. Die Düsenklappe bezweckt eine Motor = drehzahlunabhängige gleichmäßige Gasgeschwindigkeit beim Auftreffen auf die Radschaufeln.
2.) Abgasreiniger nach Patentanspruch 1.), dadurch gekennzeich = net, daß das Auspuffgas nach der Nachoxidierung von Kohlen = monoxid und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in einen mit Metallwolle gefüllten Raum eintritt, wobei sich im Ab = gas befindliche Bleianteile auf der heißen Metallwolle nie = derschlagen.
3.) Abgasreiniger nach den Patentansprüchen 1.) und 2.), da = durch gekennzeichnet, daß das Abgas nach dem Passieren der Metallwolle in einen,mit granuliertem Salmiak oder einer ähnlichen, Ammoniakgas enthaltenden Substanz eintritt, die bei Erwärmung Ammoniakgas abgibt, wobei dieses mit noch im Abgas enthaltenem Stickoxid chemisch reagiert. Dadurch entstehen ungiftige Gase, die keine Umweltbelastung zur Folge haben können.
4.) Abgasreiniger nach Patentanspruch 1.), dadurch gekennzeich = net, daß die Welle des Laufrades (7) auf eine beliebige Art mit einem Turbolader verbunden wird, durch den die zum Betrieb des Motors nötige Luft angesaugt und vorver = dichtet den Zy 1# ndZylindern, bzw. dem Vergaser oder den Ver = gasern des betreffenden Motors zugeführt wird, was nicht nur eine bessere Verbrennung des Treibstoffes und damit eine Verringerung der Schadstoffanteile, sondern auch eine Erhöhung des Wirkungsgrades und damit eine Verringerung des Treibstorrverbrauches zur rFolge hat.
PATENTANMELDUNG: ABGASREINIGER, PATENTANSPRÜCHE, SEITE 2 5.) Abgasreiniger nach den Patentansprüchen 1.), 3.) und 4.) dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit oder ohne die Me = tallwollpackung auch für die Entgiftung der Abgase von Dieselmotoren verwendet werden kann, wobei die Metall = wollpackung, wenn sie aus geeignetem Material hergestellt wird, zum Niederschlag von Ruß, Ölkohle u.s.w. dient, wo -bei diese Substanzen an der Oberfläche der Metallwollfäden infolge der Hitze und mit dem Luftüberschuß verbrennen und damit das Abgas von Dieselmotoren rußfrei gemacht wird.
6.) Abgasreiniger nach dem Patentanspruch 4.) dadurch gekenn = zeichnet, daß an der Welle (8) des Laufrades (7) anstelle eines Turboladers auch ein Generator oder eine, anderen Zwecken dienende Apparatur betrieben werden kann, wie z.B.

eine Ö1- oder Wasserpumpe oder sonstige zu Heizungs- oder Lüftungszwecke dienende Aggregate.
7.) Abgasreiniger nach dem Patentanspruch 1.), dadurch gekenn = zeichnet, daß die zur Nachoxidierung des Kohlenmonoxids und der unverbrannten Kohlenwasserstoffe nötige Luft auch auf eine beliebige andere Art und Weise zugeführt werden kann, es wäre auch eine Selbstansaugung dadurch möglich, daß durch den Gasstrom an bestimmten Öffnungen ein Unterdruck erzeugt wird, durch den Luft sich dem Abgasstrom zumischen kann.
8.) Abgasreiniger nach dem Patentanspruch 1.), dadurch gekenn = zeichnet, daß die Regelklappe (11) anstelle durch eine Fe = der auch durch jede andere Regelvorrichtung bewegt werden kann, um den gleichen Effekt zu erzielen.
9.) Abgasreiniger nach den Patentansprüchen 1.) und 7.), da = durch gekennzeichnet, daß das Laufrad (7) auch ausser = halb des Abgasstromes und auf eine beliebige andere Art angetrieben werden kann.