DE2533669C2 - Einrichtung zum Regeln der Auspuffemissionen einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung an einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge zur Verringerung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen unter Verwendung von im wesentlichen hülsenförmigen Einsatzkörpern, die in den Auslaßkanal jeder Brennkammer eingesetzt werden.
• Eine derartige Einrichtung ist aus der GB-PS 13 22 495 bekannt. Hiernach sollen die Auspuffgase beim Verlassen der Brennkammern eine möglichst hohe Temperatur beibehalten, damit eine wirksame Verringerung der Schadstoffanteile möglich ist. Zur Beibehaltung dieser hohen Temperaturen der Auspuffgase und dabei gleichzeitig auch zur Verringerung der Kühlkapazität der Brennkraftmaschine ist daher vorgeschlagen, in einen geradlinigen Abschnitt des Auslaßkanals jeder Brennkammer eine als Wärmeschild im Zusammenwirken mit einem stationär in einer umgebenden Luftkammer aufrecht erhaltenen Luftkissen fungierende Hülse einzusetzen, deren glatte Innenwand dabei den Durchströmweg der Auspuffgase hin zu dem gemeinsamen Auslaßkrümmer der Auslaßkanäle aller Brennkammern begrenzt. Anstelle des Luftkissens kann der Ringraum zwischen diesen Hülsen und der umgebenden Innenwand des Auslaßkanals, in welchen sie eingesetzt werden, auch mit einem entsprechend wärmeisolierenden Material ausgefüllt werden. In dieser Druckschrift finden sich jedoch keine Angaben darüber, in welchem Ausmaß durch die Verwendung solcher als Wärmeschild fungierender Hülsen die Schadstoffanteile der Auspuffgase wirksam verringert werden können.
• Die auf der Beibehaltung einer möglichst hohen Temperatur der Auspuffgase fußenden Erkenntnisse bezüglich einer möglichen Verringerung der Schadstoffanteile haben andererseits schon lange zu dem Einsatz von thermischen Reaktoren, oder alternativ katalytischen Wandlern, mit einer Anordnung stromabwärts von den Auslaßkanälen der Brennkammern geführt, um damit die Aufenthaltszeit der Auspuffgase vor ihrem Ausstoß in die Atmosphäre zu verlängern. Auch hat es im Zusammenhang damit an Untersuchungen nicht gefehlt, wie durch ein Betreiben der Brennkraftmaschinen mit einer geschichteten Ladung aus einem relativ mageren und einem relativ fetten Brenngemisch der Anteil der Schadstoffe in den Auspuffgasen evtl. verringert werden könnte. Beispiele dafür sind in den DE-OS 23 34 475 und 22 42 665 beschrieben.
• Der Erfindung liegt ausgehend von Einrichtungen der eingangs angeführten Art die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung an einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge bereit zu stellen, mit der die Schadstoffanteile der Auspuffgase stärker als bisher verringert werden können.
• Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe nach dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 fußt im wesentlichen auf der Erkenntnis, daß bei einer weitgehend laminaren Strömung der Auspuffgase durch die Auslaßkanäle der Brennkammern nur ein sehr kleiner konvektiver Wärmeübergang auftritt, wodurch ermöglicht wird, die für die Abgasnachreaktion benötigten hohen Temperaturen der Auspuffgase ohne weiteres zu erhalten. Damit ist es auf äußerst einfache Art möglich, den Schadstoffanteil der Auspuffgase wirksam zu verringern, ganz besonders dann, wenn die erfindungsgemäße Einrichtung gemäß Patentanspruch 9 für eine Brennkraftmaschine verwendet wird, die mit einer geschichteten Ladung aus einem relativ mageren und einem relativ fetten Brenngemisch betrieben wird.
• Aus der US-PS 31 23 900 ist ein Strömungsmengenmeßgerät bekannt, bei dem zur Messung eines Strömungsparameters ein Meßrohr verwendet ist, das zwei längs eines damit vorgegebenen Strömungsweges voneinander beabstandete, der Ermittlung eines Meßunterschiedes dienende Meßstellen aufweist. Zwischen den Meßstellen ist in dem Meßrohr ein der Erzeugung einer laminaren Strömung mit einer Reynold'schen Zahl von weniger als etwa 2000 dienender Meßeinsatz angeordnet, der die zu messende Strömung zur Ermöglichung einer bei einer turbulenten Strömung nicht vorhandenen linearen Beziehung zwischen dem Strömungsdruckverlust und der Geschwindigkeit in eine Vielzahl achsparalleler laminarer Teilströme unterteilt. Dies bildet hier die maßgebliche Voraussetzung für eine Differenzdruckmessung mittels Manometern, um dann über diese Messung eine lineare Beziehung zu der Geschwindigkeit, d. h. letztlich zum Durchsatz des durch das Meßrohr strömenden Fluids zu erhalten. Von einer Anwendung bei der Brennkraftmaschinen-Abgasreinigung ist in der US-PS 31 23 900 nicht die Rede; zwischen der Lehre dieser Patentschrift und der der GB-PS 13 22 495 ist keine gedankliche Brücke zu ersehen.
• Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
• Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Abgasauslaßbereichs einer Brennkraftmaschine,
• Fig. 2 in vergrößertem Maßstab die erfindungswesentliche Einzelheit der Darstellung gemäß Fig. 1,
• Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2 und
• Fig. 4 bis 6 entsprechende Querschnitte alternativer Ausführungsformen des bei der Einrichtung verwendeten Einsatzkörpers.
• Die für eine Verringerung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen einer Brennkraftmaschine 10 für Kraftfahrzeuge konzipierte Einrichtung ist am vorteilhaftesten kombiniert mit einem geschichteten Ladungsbetrieb unter Verwendung eines relativ mageren und eines relativ fetten Brenngemisches. Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine weist dafür wenigstens einen Zylinder 11 mit Kolben 12 auf, der über ein Pleuel 13 mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verbunden ist. An den Zylinder 11 ist ein primärer Ansaugkanal 15 angeschlossen, über den ein von einem Vergaser 14 bereit gestelltes, relativ mageres Brenngemisch angesaugt wird. An eine Brennkammer 8 des Zylinders 11 ist weiter ein Zuleitungskanal 7 für ein relativ fettes Brenngemisch angeschlossen, wobei in der Brennkammer 8 eine geschichtete Ladung alternativ auch dadurch erzeugt werden kann, daß über den Kanal 7 lediglich Brennstoff für eine örtliche Anreicherung des über den Ansaugkanal 15 angesaugten mageren Brenngemisches zugeleitet wird. Von der Brennkammer 8 ist ein relativ kurzer Auslaßkanal 16 abgezweigt, der vor seiner am Maschinenblock ausgebildeten Mündung 24 eine definierte Länge 23 hat, in die ein im wesentlichen hülsenförmiger Einsatzkörper 35 eingesetzt ist. Die Brennkraftmaschine weist noch das übliche Einlaßventil 19 an dem Ansaugkanal 15 und das übliche Auslaßventil 20 an dem Auslaßkanal 16 auf, die durch eine nicht dargestellte Kipphebelanordnung steuerbar sind.
• An den Auslaßkanal 16 ist über ein Verbindungsrohr 27 ein thermischer Reaktor 25 angeschlossen, der auch durch einen katalytischen Wandler ersetzt sein kann. In einer Innenkammer 28 dieses Reaktors erfahren die aus dem Auslaßkanal 16 zugeleiteten Auspuffgase während einer verlängerten Aufenthaltszeit eine starke Wirbelbewegung, um damit eine Oxidation der in ihnen enthaltenen Schadstoffanteile mit der Unterstützung durch Zusatzluft zu beschleunigen, die am Ende des Auslaßkanals 16 oder an dem Verbindungsrohr 27 zugeleitet wird. An eine thermisch isolierte Außenkammer 32 des Reaktors 25 ist dann noch das übliche Auspuffrohr 30 angeschlossen.
• Die Erzeugung der geschichteten Ladung in der Brennkammer 8 sollte zweckmäßig derart geregelt sein, daß die Luft-Brennstoff-Verhältnisse der beiden Brenngemische einen Mittelwert von etwa 17 bis 20 zu 1 bei Teillast und von etwa 14 zu 1 bei Vollast aufweisen. Dabei kann mit Ausnahme des Vollastbetriebes auf eine Rückführung der Auspuffgase verzichtet werden. Bei Einhaltung dieser Werte, die nicht zwingend auch die Anwesenheit eines thermischen Reaktors bzw. alternativ eines katalytischen Wandlers voraussetzen, ist in den Auspuffgasen noch genügend Sauerstoff enthalten, um damit alle unverbrannten Kohlenwasserstoffe bereits am Einlaß des Auslaßkanals 16 oxidieren zu können. An dieser Stelle haben die Auspuffgase gewöhnlich noch eine Temperatur von etwa 715 bis 760°C, und der Anteil an Stickstoffoxiden und Kohlenmonoxid ist unter normalen Fahrbedingungen noch zulässig niedrig, jedoch wird er bei jeder Beschleunigung des Fahrzeuges beträchtlich gesteigert.
• Der bei solchen Temperaturen in den Auspuffgasen noch enthaltene Sauerstoff löst hinsichtlich der Schadstoffanteile eine Reaktion nach der folgenden Gleichung aus:
  2 NO + CO = N₂ + CO₂
  sofern der Mittelwert der Luft-Brennstoff-Verhältnisse im Schichtladungsbetrieb der Brennkraftmaschine auf etwa 17 bis 20 zu 1 bei Teillast eingestellt ist. Dann ist dabei das in den Auspuffgasen anwesende Kohlenmonoxid vorrangig auf den relativ fetten Gemischanteil zurückzuführen, und seine Oxidation findet bereits in der Brennkammer noch während des Verbrennens des relativ mageren Gemischanteils statt. In den Auspuffgasen verbleiben aber immerhin noch etwa 0,2 bis 1,0 Mol-% Kohlenmonoxid, was hauptsächlich auf ein unzureichendes Vermischen der verschiedenen Komponenten bei den in der Brennkammer vorherrschenden Temperaturen zurückzuführen ist. In den Auspuffgasen ist daher Kohlenmonoxid gewöhnlich in einer Menge von etwa 13 Gramm/1,6 km Fahrstrecke enthalten, während die Stickstoffoxide einen Anteil von etwa 0,9 Gramm/ 1,6 km Fahrstrecke haben.
• Dieser Gehalt an Kohlenmonoxid und Stickstoffoxiden kann wenigstens auf den vernachlässigbar kleinen Wert von etwa 0,5 g/1,6 km bzw. von etwa 0,4 g/1,6 km verringert werden, wenn das Strömungsbild der Auspuffgase mittels des in den Kanalabschnitt 33 eingesetzten Einsatzkörpers 35 so beeinflußt wird, daß die in Richtung des Pfeiles 34 aus der Brennkammer 8 strömenden Auspuffgase eine weitgehend laminare Strömung mit einer Reynold'schen Zahl von weniger als 2300 erhalten. Der Einsatzkörper 35 ist dafür in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 aus wenigstens zwei konzentrisch angeordneten Hülsen 36, 37 gebildet, die durch radiale Stege 39 auf Abstand zueinander gehalten sind. An der äußeren Hülse 36 sind weitere radiale Stege 38 angeordnet, um damit den Einsatzkörper 35 an der Innenwand des Auslaßkanals 16 abstützen zu können und gleichzeitig eine Unterteilung des Ringraumes 40 zu erhalten, der für eine alternative Ausführungsform dieses Einsatzkörpers mit einer dann verwirklichten satten Anlage der äußeren Hülse an die Innenwand des Auslaßkanals aber nicht zwingend vorhanden sein muß und gemäß noch einer weiteren Alternative an den axialen Enden des Einsatzkörpers auch durch Dichtungen luftdicht abgeschlossen sein kann. Mit dieser Ausbildung des Einsatzkörpers 35 entweder aus Blech einer Dicke von etwa 0,5 mm oder aus keramischem Material einer dann größeren Dicke von etwa 1,3 mm wird somit eine Vielzahl achsparalleler Strömungskanäle für die Durchströmung der Auspuffgase erhalten, wobei insbesondere dann keine Gefahr für das Auftreten eines erheblichen Strömungsdruckverlustes auftritt, wenn bei einer Länge von etwa 75 mm des Einsatzkörpers der Ringraum 40 eine radiale Abmessung von etwa 10 bis 13% des Halbmessers des Kanalabschnittes 33 und der von den beiden Hülsen 36 und 37 begrenzte Ringraum 41 eine radiale Abmessung von etwa 18 bis 25% desselben Halbmessers aufweisen. Da der Einsatzkörper 35 nur über die Stege 38 eine wärmeleitende Verbindung mit der Wand des Auslaßkanals 16 hat, ist damit gleichzeitig eine entsprechend starke Wärmeerhaltung sichergestellt, so daß die Auspuffgase bei einer untersuchten Achtzylindermaschine, die mit einer Drehzahl von 4000 U/min betrieben wurde, an dem Ende Bdes Einsatzkörpers noch eine Temperatur von etwa 790°C haben, was für ihre weitere Aufbereitung in einem nachgeschalteten thermischen Reaktor vorteilhaft ist.
• Bei der in Fig. 4 dargestellten alternativen Ausführungsform ist als Einsatzkörper eine spiralgewundene Einlage 43 verwendet, deren Achse längs des Auslaßkanals 16 verläuft und deren Windungen in radialer Richtung durch einen wellenförmigen Steg 44 auf Abstand zueinander gehalten sind. Auch bei diesem Einsatzkörper ist ein innerer Durchströmkanal 45 entsprechend dem inneren Durchströmkanal 42 bei dem Einsatzkörper nach Fig. 3 sowie eine Vielzahl achsparalleler Strömungskanäle zur Erzielung einer weitgehend laminaren Strömung der Auspuffgase verwirklicht. Der Einsatzkörper gemäß dieser Ausführungsform ist besonders in der Ausbildung aus Blech kostensparend herzustellen, weil dafür bei der Wicklung der Einlage 43 nur der wellenförmige Steg 44 mitgewickelt und dann an seinem Ende 43 a an die Einlage angeschweißt bzw. angelötet werden muß.
• Bei der in Fig. 5 dargestellten weiteren alternativen Ausführungsform hat der Einsatzkörper einen waben- bzw. netzförmigen Querschnitt, bei dem die entsprechenden Strömungskanäle zur Erzielung einer weitgehend laminaren Strömung der Auspuffgase durch senkrecht zueinander angeordnete Wände 46 begrenzt sind. Der innere Durchströmkanal ist dabei größer bemessen als die übrigen Strömungskanäle.
• Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform besteht der Einsatzkörper schließlich aus einer parallelschichtigen Einlage, deren einzelne Schichten 47 mittels wellenförmiger Stege 48 auf Abstand gehalten sind. Weil bei dieser Ausführungsform kein innerer Durchströmkanal verwirklicht ist und die parallelschichtige Einlage satt an der umgebenden Innenwand des Kanalabschnittes 33 anliegt, ist bei dieser Ausbildung des Einsatzkörpers ein größerer Strömungsdruckverlust der Auspuffgase als bei den übrigen Ausführungsformen zu erwarten.

Claims (9)

1. Einrichtung an einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge zur Verringerung der Schadstoffanteile in den Auspuffgasen unter Verwendung von im wesentlichen hülsenförmigen Einsatzkörpern, die in den Auslaßkanal jeder Brennkammer eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einsatzkörper (35) mit einer solchen Vielzahl achsparalleler Strömungskanäle versehen ist, daß eine weitgehend laminare Strömung der Auspuffgase mit einer Reynold'schen Zahl von weniger als 2300 erzielt wird

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper (35) aus wenigstens zwei konzentrisch angeordneten Hülsen (36, 37) besteht, die durch radiale Stege (39) auf Abstand zueinander gehalten sind (Fig. 3).

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der äußeren Hülse (36) des Einsatzkörpers (35) weitere radiale Stege (38) für dessen Abstützung an der Innenwand des Auslaßkanals (16, 33) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülse (36) in einem etwa einem Zehntel des Halbmessers des Auslaßkanals (16, 33) entsprechenden radialen Abstand von der umgebenden Innenwand des Auslaßkanals angeordnet ist und ihr radialer Abstand von der inneren Hülse (37) etwa einem Fünftel desselben Halbmessers entspricht.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper aus einer spiralgewundenen Einlage (43) besteht, deren Achse längs des Auslaßkanals (16, 33) verläuft und deren Windungen in radialer Richtung durch einen wellenförmigen Steg (44) auf Abstand zueinander gehalten sind (Fig. 4).

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper einen waben- bzw. netzförmigen Querschnitt hat, bei dem die Strömungskanäle durch senkrecht zueinander angeordnete Wände (46) begrenzt sind (Fig. 5).

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatzkörper aus einer parallelschichtigen Einlage besteht, deren einzelne Schichten (47) mittels wellenförmiger Stege (48) auf Abstand gehalten sind (Fig. 6).

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Anordnung des Einsatzkörpers (35) maßgebliche Länge des Auslaßkanals (16) wenigstens zweieinhalbmal so groß ist wie dessen Durchmesser, nicht jedoch größer als der fünffache Wert desselben.

9. Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine mit einem relativ mageren und einem relativ fetten Brenngemisch zur geschichteten Ladung der Brennkammer betriebenen Brennkraftmaschine, wobei die Luft-Brennstoff-Verhältnisse der beiden Gemische einen Mittelwert von etwa 17 bis 20 zu 1 bei Teillast und von etwa 14 zu 1 bei Vollast aufweisen.