DE2163983A1

DE2163983A1 - Nachverbrenner für Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2163983A1
Application number: DE19712163983
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Yokohama Maruoka (Japan)
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1970-12-30
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1972-07-20
Also published as: CA946172A; DE2163983B2; DE2163983C3; FR2120675A5; US3716996A; JPS5032890B1

Description

PATENTANWALTS BÜRO hOMSEN - TlEDTKE - BüHLING

PATENTANWÄLTE Manchen: Frankfurt/M.: Dipl.-Chem.Dr.D.Thomsen Dipl.-Ing. W. Weinkauff Dlpl.-Ing. H. Tledtke (Fuchihohl 71)

Dipl.-Chem. Q. Bühling Dipl.-Ing. R. Kinne Dipl.-Chem. Dr. U. Eggers

8000 München 2

Kal$er-Ludwlg-Platz622. Dezember 1971

Nissan Motor Company, Limited Yokohama City, Japan

Nachverbrenner für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nachverbrenner für Brennkraftmaschinen und insbesondere auf ein Nachverbrennungssystem für die Minderung des Gehalts an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxyd, der unverbrannt in den Maschinenabgasen der Brennkraftmaschine verbleibt.

Es sind bereits Nachverbrenner der Flammenbauart als üfen benutzt worden, die die kleinen Mengen an Kraftstoff verbrennen, die in der Maschinenverbrennungskammer unverbrannt geblieben sind. Für das vollständige Verbrennen dieser unverbrannten Bestandteile und für das Ausstoßen sauberer Abgase bilden die Nachverbrenner der Flammenbauart eine offene Flamme in den verunreinigten Abgasen, indem sie den Abgasen eine Menge an zusätzlichem Kraftstoff zuführen. Bei dieser direkten Methode mit offener Flamme ergeben sich jedoch einige Problernet Da die Nach*

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Mündlich· Abreden, intbetondere durch Τ·Ι·(οη, bedürfen tchrHtlicher BMtillgung Poitidiacfc (München) Kto. 116074 Dresdner Bank (München) Kto. 58« 709

verbrenner in einem Abgasrohr untergebracht sind, durch das die Abgase mit hoher Geschwindigkeit strömen, ist es ziemlich schwierig, die Hauptverbrennung der Abgase stabil zu halten; ferner ergeben sich bei offenen Flammen häufig unregelmäßige Verbrennungen wie Fehlzündungen oder Ausblasen, so daß die Hauptverbrennung gestört und dadurch der Anteil an unverbrannten Bestandteilen erhöht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und ein Nachverbrennungssystem für das Herabmindern des Gehalts an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxyd zu schaffen, die unverbrannt in den Maschinenabgasen einer Brennkraftmaschine verbleiben. Diese Aufgabe ist gelöst durch eine Wiederverbrennungs- oder Nachverbrennungseinrichtung mit einer Wiederverbrennungskammer oder Nachverbrennungskammer für das Nachverbrennen der Maschinenabgase, durch einen Nachverbrennungsstabilisator mit einer Mischeinrichtung, die eine poröse Umhüllung aufweist, sowie eine Wärmequelle und einen Turbulenzerzeuger mit einer Anzahl von Vorsprüngen, die auf der Umhüllung angeordnet sind, um eine vorgemischte Flamme nahe an den Spitzen der Vorsprünge zu erhalten, um die Nachverbrennung der Maschinenabgase zu stabilisieren, und durch eine Zufuhreinrichtung für die Lieferung eines zusätzlichen Luft-Kraftstoffgemisches zum Nachverbrennungsstabilisator, wobei die poröse Umhüllung gleichförmig das zusätzliche Luft-Kraftstoffgemisch beim Durchgang zugemischt und die Vorsprünge kleine Strömungsturbulenzen der Motorabgase erzeugen und als Wärmequelle wirken, während sie durch die vorgemischte Flamme erhitzt werden, um auf diese Weise die Nachverbrennung der Maschinenabgase zu verankern.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist ein schematisches Durchflußdiagramm eines Nachverbrennungssystems nach der Erfindung;

Fig. 2 ist eine erläuternde Ansicht des gesamten Nachverbrennungssystems;

Fig. 3 zeigt in vergrößerter Querschnittsansicht eine

Ausführungsform des Nachverbrennungsstabilisators und des Nachverbrennungsreaktors gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ist eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung,

die jedoch eine weitere Ausführungsform verdeutlicht.

Gemäß Fig. 1 kann ein Nachverbrennungssystem Io nach der Erfindung mit einem Sekundärluftlieferer 11 für die Zufuhr von Sekundärluft in die verunreinigten Maschinenabgase 12 versehen werden, um Abgase 13 zu erhalten. Die Abgase 13 richtigen Mischungsverhältnisses 13 werden dann in einen Nachverbrennungs- oder Wiederverbrennungsreaktor 1*1 eingeführt, um vollständig die unverbrennten Anteile zu verbrauchen. Nach dem Nachverbrennen der verunreinigten Abgase 12 gibt der Nachverbrennungsreaktor 14 saubere Abgase 15 ab.

Gemäß dem Hauptmerkmal der Erfindung wird die Nachverbrennung im Nachverbrennungsreaktor 1Ί durch einen Nachverbren-

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nungsstabilisator 16 stabilisiert, der im einzelnen unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 erörtert wird. Der Nachverbrennungsstabilisator 16 der Flammenbauart erzeugt eine vorgemischte Flamme, die als Wärmequelle für die Nachverbrennung der Abgase 13 wirkt. Von einem Gemischlieferer 17 wird ein zusätzliches Luft-Kraftstoffgemisch geliefert, um die vorgemischte Flamme zu bilden und aufrecht zu erhalten. Gemäß Fig. 1 wird Zusatzluft 18 und Zusatzkraftstoff 19 so dosiert, daß ein richtiges Gemischverhältnis erhalten und dem Gemischlieferer 17 zugeführt wird.

Für die vollständige Verbrennung der Abgase 13 wird die Temperatur im Nachverbrennungsreaktor 14 auf einem geeigneten Niveau gehalten. Diese Temperatursteuerung kann dadurch bewirkt werden, daß man eine Gemischdurchflußsteuereinrichtung 21 vorsieht, die die Intensität und damit die durch die vorgemischte Flamme erzeugte thermische Energie steuert. Die Gemischdurchflußsteuereinrichtung 21 reguliert die Durchflußrate des zusätzlichen Luft-Kraftstoff gemisches 1.7» das ein richtiges Mischungsverhältnis · fe erhalten hat, wobei das Regulieren in Abhängigkeit von der Temperatur im Nachverbrennungsreaktor 14 erfolgt. Die Temperaturermittlung erfolgt durch einen Temperaturfühler 22, der in dem Nachverbrennungsreaktor m untergebracht werden kann. Für das Zünden der vorgemischten Flamme kann ein Zünder 23 in dem Nachverbrennungssystem 10 verwendet werden.

Es erfolgt nunmehr anhand der Fig. 2 eine ins einreine gehende Beschreibung der gesamten Nachverbrennungsanlage 10; dabei werden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder einander entsprechende Teile gemäß Fig. 1 verwendet. Bei dieser dargestellten

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Ausführungsform ist der Nachverbrennungsstabilisator 16 in einer Nachverbrennungskammer l^a untergebracht, die von einem Gehäuse 14b des Nachverbrennungsreaktors I^ begrenzt wird. Der Nachverbrennungsstabilisator 16 hat allgemein sphärische Form und befindet sich stromauf der Nachverbrennungskammer IMa.

Die verunreinigten Abgase 12 werden von einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) in die Nachverbrennungskammer 14a ausgestoßen. Mit Hilfe einer Lufteinblaseinrichtung (nicht gezeigt) kann eine dosierte Menge an Sekundärluft 11 in die verunreinigten Abgase 12 eingeführt werden. Das Einführen der Sekundärluft 11 führt vorzugsweise zu teilweise zugemischten Abgasen mit einem Gemischverhältnis, das auf die Magerseite fällt. Andererseits wird Zusatzluft 18 durch einen Kanal 18b mit Hilfe eines Gebläses 18a angesaugt, der zur umgebende Atmosphäre belüftet ist und mit einem Speicher 16a des Nachverbrennungsstabilisators 16 verbunden ist. Gleichzeitig wird eine optimale Menge an Zusatzkraftstoff 19 in zerstäubtem Zustand dem Kanal 18 mit Hilfe eines Vergasers 19a zugeführt, der mit einer Kraftstoffpumpe (nicht gezeigt) verbunden ist.

Beim Betrieb wird das in dieser Weise erzeugte zusätzliche Luft-Kraftstoffgemisch 17 gleichförmig beim Durchgang durch eine poröse Umhüllung 16b des Nachverbrennungsstabilisators 16 zugemischt. Dabei erzeugt das zusätzliche Luft-Kraftstoffgemisch 17 die vorgemischte Flamme, wenn es durch eine Zündkerze 2 3a des Zünders 23 gezündet wird. Auf diese vorgemischte Flamme trifft der Durchstrora der Abgase 13-. In diesem Fall enthalten die

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Abgase 13 gewöhnlich unverbrannten Kraftstoff und können außerdem Sekundärluft 11 enthalten, so daß sie zum Verbrauch des unverbrannten Kraftstoffgehalts ohne Schwierigkeit verbrennen, wenn die Nachverbrennungskammer 14a auf einer hohen Temperatur gehalten wird. Das in der Nachverbrennungskammer I¹Ia festgestellte Verbrennungsphenomen wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert.

Für die Steuerung der Temperatur in der Nachverbrennungskammer 14a erfühlt der Temperaturfühler 22 die Temperaturhöhe und liefert ein Signal, das die Temperaturhöhe anzeigt. Dieses Signal wird in eine Steuereinrichtung 21 für die Gemischdurchflußsteuereinrichtung 21 eingeführt. Bei Empfang des Temperatursignals erregt die Steuereinrichtung 21a einen Servomotor 21b, um diesen zu betätigen. Der unmittelbar mit einem im Kanal 18b untergebrachten Drosselventil 21c gekoppelte Servomotor 21b dreht bei seiner Betätigung das Drosselventil 21c. Diese Drehung verändert den wirksamen Durchtrittsquerschnitt um das Drossel-P ventil 21c und steuert somit die Durchflußrate des zusätzlichen Luft-Kraftstoffgemisches 17. Auf diese Weise wird die Temperatur in der Nachverbrennungskammer 14a automatisch auf einem vorbestimmten Niveau gehalten, das für vollständige Verbrennung geeignet ist.

Die Steuereinrichtung 21a wird durch eine Energiequelle 24 erregt, und zwar über einen Zündschalter 25, und kann den Einsatz des Gebläses 18a steuern. Die Zündkerze 23a kann durch Schalten einer Hochspannungsquelle 23b durch die Steuereinrichtung

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21a überwacht werden.

Gemäß Pig. 3 besitzt der Nachverbrennungsstabilisator 16 ferner eine Anzahl von Vorsprüngen 16c, die auf der porösen Umhüllung 16b ausgebildet sind. Diese Vorsprünge l6e bestehen vorzugsweise aus feuerfestem Material und wirken als Wärmequelle für die Hauptverbrennung, wenn die vorgemischte Flamme darum gebildet wird. Vorsprünge werden nämlich durch die vorgemischte Flamme erhitzt und werden rotglühend. In jedem Fall wird die vorgemischte Flamme ganz nahe an den Spitzen der Vorsprünge l6c gebildet.

Wie es bekannt ist, werden die Abgase 13 mit einer relativ hohen Geschwindigkeit in die Nachverbrennungskammer IMa geschickt. In diesem RIl wirkt die poröse Umhüllung 16b als Klippe oder Hindernis, das stromab einen Sog und eine Rücklaufzone gemäß Darstellung bildet. Die poröse Umhüllung 16b als ganze ist ein Flammenhalter, wie er bei einer Strahlmaschine verwendet wird. Die Vorsprünge 16c erzeugen ferner im Abgasstrom 13 kleine Turbulenzen. Bei einer auf diese Weise geformten vorgemischten Flamme verankern die vereinigten Wirkungen der kleinen Turbulenzen, des Sogs oder der Nachlaufschleppe, der Rücklaufzone stabil die Hauptnachverbrennung, die als schraffierte Reaktionszone dargestellt ist.

Auf diese Weise werden unstabile unregelmäßige Verbrennungen wie Fehlzündungen oder Ausblasen, wie sie sonst bei herkömmlichen Nachverbrennungssystemen der Flammenbauart auftreten, vollständig beseitigt, wobei sich eine vollständige Verbrennung ergibt. Als unerwartetes erwünschtes Ergebnis braucht das in der

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porösen Umhüllung I6b verwendete Material keine außergewönlichen Wärmewiderstandseigenschaften haben, da das zusätzliche Luft-Kraftstoffgemisch 17 kalt genug ist, um die Umhüllung 16b beim Durchgang abzukühlen. Es sind daher für die poröse Umhüllung. 16b beispielsweise Materialien wie gesintertes Porzellan oder mehrschichtiges rostfreies Stahlgitter geeignet. Auch können die Vorsprünge 16c aus festem Porzellan bestehen.

Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel für einen Nachverbrennungsstabilisator 16', wobei mit Strichzeichen versehene Bezugszeichen den Gegenstücken in Fig. 3 entsprechen. Bei dieser Ausführungsform sind eine Nachverbrennungskammer I¹I¹ a und daher ein Nachverbrennungsreaktor 1Ί¹ innerhalb einer porösen Umhüllung 16'b des Nachverbrennungsstabilisators 16* untergebracht. Auf der Innenfläche der porösen Umhüllung 16'b ist eine Anzahl Vorsprünge I6'c vorgesehen. In diesem Fall ist der Speicher 16'a so ausgebildet, daß er die poröse Umhüllung 16 *b umschließt.

Beim Betrieb wird das zusätzliche Luft-Kraftstoffgemisch 17 in den Speicher 16*a eingeführt und wandert dann durch die poröse Umhüllung 16'b nach Innen. Dann wird das Gemisch 17 durch die Zündkerze 23a gezündet und bildet nahe an den Spitzen der Vorsprünge 16¹C eine vorgemischte Flamme. Gleichzeitig werden die Abgase 13 durch die vorgemischte Flamme gezündet, um in der Nachverbrennungskammer HJ'a eine Reaktionszone herbeizuführen, wie sie schraffiert dargestellt ist. Nach der vollständigen Verbrennung werden die verbrannten Abgase als saubere Abgase 15 abgeführt.

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Obwohl bei dieser Ausführungsform angenommen wird, daß die kombinierten Wirkungen aus kleinen Turbulenzen, Sog und
Rücklaufzone nicht in einem großen Ausmaß auftreten, wird
gleichförmige Hochtemperaturverteilung zusammen mit stagnierenden brennbaren Gasen in der Verbrennungskammer 1'4'a erhalten, da die Nachverbrennungskammer I¹I'a von der vorgemischten Flamme umschlossen ist und da die Abgase 13 in die Nachverbrennungskammer 1*} 'a eingeführt werden, die ein relativ großes Volumen hat. Dies führt zur Minderung der zuzuführenden Menge an Zusatzkraftstoff. Die Nachverbrennungskammer l4'a wird von der porösen Umhüllung 16'b umschlossen, die gekühlt wird, so daß es kein Kühlproblem der Nachverbrennungskammer I¹I¹ a gibt.

Die Erfindung liefert ein kompaktes Nachverbrennungssystem für die Minderung des unverbrannten Gehalts in den Motorabgasen mit verlässlicher Zündung und ohne Fehlzündungen oder Ausblasen.

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Claims

Patentansprüche

-^v

/l^/Nachverbrennungssystem zur Verminderung des Gehalts an Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxyd in unverbrannten Maschinenabgasen von Verbrennungsmaschinen, gekennzeichnet durch eine Nachverbrennungseinrichtung.(10) mit einer Nachverbrennungskammer (14) für das Nachverbrennen der Motorabgase, durch einen Nachverbrennungsstabilisator (16) mit einer Mischeinrichtung, die eine poröse Umhüllung (16b) aufweist, einer Wärmequelle sowie einer turbulenzerzeugenden Einrichtung mit einer Anzahl von Vorsprüngen (I6c), die auf der Umhüllung (I6b) vorgesehen sind, um nahe an den Spitzen dieser Vorsprünge eine vorgemischte Flamme zu bilden und die Nachverbrennung der Maschinenabgase zu stabilisieren, und durch eine Gemischliefereinrichtung (17) für die Zufuhr von zusätzlichem Luft-Kraftstoffgemisch zum Nachverbrennungsstabilisator, wobei die poröse Umhüllung gleichförmig das zusätzliche Luft-Kraftstoffgemisch beim Hindurchgang zumischt und die Vorsprünge im Strom der Maschinenabgase kleine Turbulenzen erzeugen und unter Erhitzing durch die vorgemischte Flamme als Wärmequelle wirken, wodurch die Nachverbrennung der Motorabgase verankert wird.
2. Nachverbrennungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichne durch eine Durchflußsteuereinrichtung (21) für die Steuerung der Durchflußrate des zusätzlichen Luft-Kraftstoffgemisches in Abhängigkeit von der Temperatur der Nachverbrennungskammer, um diese Temperatur auf einem vorbestimmten Niveau zu halten, das für die Bewirkung vollständiger Verbrennung der Motorabgase geeignet ist.

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3. Nachverbrennungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußsteuereinrichtung (21) ein Drosselventil (21c) aufweist, das drehbar in der Liefereinrichtung für das zusätzliche Luft-Kraftstoffgemisch angeordnet ist und den wirksamen Durchtrittsquerschnitt steuert, ferner einen Servomotor (21b) für das Drehen des Drosselventils bei Erregung, eine Steuereinrichtung (21a) für das Steuern der Erregung des Servomotors und einen Temperaturfühler (22), der in der Nachverbrennungskammer untergebracht ist, um dessen Temperatur zu erfühlen und den Einsatz der Steuereinrichtung zu steuern.
ty, Nachverbrennungssystem nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Liefereinrichtung für das zusätzliche Luft-Kraftstoffgemisch eine Zufuhreinrichtung für die Lieferung von Frischluft zum Nachverbrennungsstabilisator (16) aufweist sowie eine Zufuhreinrichtung (19) für zusätzlichen Kraftstoff, um dem Prischluftstrom eine optimale Menge an zerstäubtem Kraftstoff zuzuführen.
5. Nachverbrennungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhreinrichtung (18) für Zusatzluft einen zur Atmosphäre belüfteten Kanal (18b) und ein in diesem Kanal untergebrachtes Gebläse (18a) für das Ansaugen der Frischluft in den Nachverbrennungsstabilisator aufweist und wobei die Zufuhreinrichtung für zusätzlichen Kraftstoff (19) einen an diesem Kanal sitzenden Vergaser (19a) aufweist,
6. Nachverbrennungssystem nach Anspruch 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Nachverbrennungeetabilisator (16)

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allgemein sphärische Gestalt hat und stromauf der Nachverbrennungskammer (l^a) in der Kammer angeordnet ist.
7. Nachverbrennungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (16c) auf der Außenseite der porösen Umhüllung (l6b) angeordnet sind.
8. Nachverbrennungssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Umhüllung (16*b) des Nachverbrennungsstabilisators (16·) die Nachverbrennungskammer (liJ'a) umgrenzt .
9. Nachverbrennungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (16Ό) auf der Innenseite der porösen Umhüllung vorgesehen sind.
10. Nachverbrennungssystem nach Anspruch 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Sekundärluftliefereinrichtung (11) für die Zufuhr von Sekundärluft zu den Maschinenabgasen vor der Nachverbrennung,um Abgase (13).geeigneten Mischungsverhältnisses zu erhalten.

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