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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachverbrennung der Abgase
von Brennkraftmaschinen, bestehend aus einem nahe an der Maschine angeordneten zylindrischen
Brennraum mit tangentialem Abgaseintritt und zentrisch axialem Austritt.
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Derartige Vorrichtungen werden bei Brennkraftmaschinen mit innerer
Verbrennung, speziell bei Ottomotoren, eingesetzt, um durch möglichst vollständige
Oxydation der brennbaren Bestandteile im Abgas das Abgas von schädlichen und lästigen
Bestandteilen zu befreien.
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Die Vollständigkeit der Reaktion im Brennraum ist abhängig von den
im Brennraum herrschenden Temperaturen und abhängig von der Ausbildung der Gasströmung,
also von Richtung und Geschwindib keit der im Brennraum herrschenden Gasbewegungen.
Denn es hängt von dem Strömungsweg eines Abgasteilchens ab, ob es die zur Nachreaktion
erforderliche Temperatur erreicht und ob ihm im geeigneten Zustand der zur Oxydation
erforderliche Sauerstoff zur Verfügung steht.
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Die Gasströmung hängt von der Führung des Stroms und vom Gasdurchsatz
ab. Gerade beim Fahrzeugmotor mit seinen sich im Verhältnis 1: 25 ändernden Gasdurchsätzen
kann mit den bekannten Abgasnachbrennern mit starrer Gasführung ein befriedigendes
Arbeiten im ganzen Leistungsbereich der Motor nur mit Nachteilen für den Motorbetrieb,
speziell mit hohem Auspuffgegendruck bei großen Gasdurchsätzen, erkauft werden.
Diese Nachteile zu vermeiden, ist Aufgabe der Erfindung.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Mündungsstelle
der Abgaseintrittsleitung in den Brennraum ein Stellorgan angeordnet ist, das durch
den Abgasgegendruck oder die Vergaserdrossel der Maschine steuerbar ist.
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Der Strömungswiderstand des Abgasnachbrenners soll möglichst niedrig
sein. Um dies zu erreichen, wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung dem Brennraum
ein etwa gleich großer Nachbrennraum mit zentrisch axialem Eintritt und tangentialem
Austritt nachgeschaltet.
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Ein einfacher Aufbau von Brennraum und Nachbrennraum ergibt sich,
wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung Brennraum und Nachbrennraum
durch eine Querwand mit mittiger Bohrung getrennt sind.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich eine Ausführung
von Brennraum und Nachbrennraum, bei der Spannungen infolge unterschiedlicher Temperaturen
von Innen- und Außenwand besonders gut aufgenommen werden, indem Brennraum und Nachbrennraum
durch eine zum Mantel konzentrische Einschnürung getrennt werden.
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Um die Brennräume so heiß wie notwendig zu temperieren, werden nach
weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Brennräume mindestens teilweise doppelwandig
ausgebildet.
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In der Regel enthält das Abgas nicht den zur Nachoxydation der brennbaren
Bestandteile notwendigen Sauerstoff. Daher ist es angebracht, dem Abgas in an sich
bekannter Weise Luft zuzumischen.
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Die Zusatzluft sollte vor der Mischung mit dem Abgas erhitzt werden,
um Abschreckeffekte im Brennraum auszuschließen. Nach weiterer Ausgestaltung wird
die Zusatzluft zur an sich bekannten Vorwärmung durch den vom Mantel und von der
Innenwand gebildeten Zwischenraum geleitet, bevor sie in den Brennraum eintritt.
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Die Zusatzluft soll sich mit dem Abgas so mischen, daß vor der Verbrennung
jedem oxydierbaren Bestandteil im Abgas Sauerstoff zugeführt wird. Dies wird nach
weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß die Eintrittsöffnungen
für die Zusatzluft im Brennraum nahe der Einschnürung vorgesehen werden.
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Alternativ hierzu läßt man die Eintrittsleitung für die Zusatzluft
in der Mitte der vorderen Stirnwand münden, wobei der Mündung eine Prallplatte zugeordnet
ist, welche die Luft seitwärts umlenkt.
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Die Erfindung wird an Hand von mehreren gezeichneten Ausführungsbeispielen
erläutert. Dargestellt sind in F i g. 1 ein einfacher zylindrischer Abgasnachbrenner
im Querschnitt, in F i g. 2 ein einfacher zylindrischer Abgasnachbrenner im Längsschnitt,
in F i g. 3 ein durch eine Querwand unterteilter Abgasnachbrenner im Längsschnitt,
in F i g. 4 ein durch eine Querwand unterteilter Abgasnachbrenner im Querschnitt
und in F i g. 5 ein Abgasnachbrenner in Form eines eingeschnürten Zylinders im Längsschnitt.
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Der Abgasnachbrenner nach F i g.1 und 2 besteht aus dem zylindrischen
Brennraum 21. Dieser wird durch den Mantel 1 begrenzt, in den das von der Brennkraftmaschine
kommende Rohr 2 tangential einmündet, ferner durch die beiden kreisförmigen Deckel
3 und 4. An die Seitenwand 4 schließt sich mittig das weiterführende Abgasrohr 5
an. In F i g. 1 ist das Stellorgan 7 zur Regelung des Eintrittsquerschnitts gezeigt,
ausgeführt als schwere, um den Bolzen 6 schwenkbare Klappe, die durch den Staudruck
des Abgasstroms geöffnet wird. Weiter ist ein Rohr 8 eingezeichnet, durch das Luft
in das Abgas geblasen werden kann.
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Der Weg des Abgases ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
Das Abgas bewegt sich auf einer spiraligen Bahn vom Umfang nach innen. Wenn das
Abgas inhomogen zusammengesetzt ist, sozusagen pfropfenartig z. B. aus Partien von
heißem Abgas ohne Sauerstoff und kaltem Abgas mit hohem Sauerstoff- und Kohlenwasserstoffanteil
besteht, dann entmischt es sich im Wirbel; die heißen leichten Bestandteile gehen
nach innen und strömen ab, die kälteren schwereren Bestandteile bleiben im Raum,
werden durch die intensive Berührung mit den heißeren Gasen erwärmt, reagieren schließlich
und strömen dann heiß und leicht zur Mitte ab.
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Wenn das Abgas homogen und-arm--an Sauerstoff ist, so daß Zusatzluft
zugeführt werden muß, dann sieht der Vorgang ähnlich aus: Die kalte Zusatzluft bleibt
am Umfang, wo sie mit den brennbaren Anteilen des frisch eintretenden Abgases reagiert.
Die Reaktion erhitzt die Partner, sie werden leichter und strömen nach innen und
ab. Auf diese Weise verläßt das Abgas den Brennraum erst dann, wenn es reagiert
hat. Das Wirbelpotential sorgt dafür, daß der frisch zugeführte Sauerstoff und die
schweren Kohlenwasserstoffe am Umfang bleiben und nicht abströmen können.
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Die Funktion des Brennraums ist abhängig von der Intensität des Wirbels,
die durch die tangentiale Einströmgeschwindigkeit bestimmt wird. Diese soll möglichst
hoch sein, um eine maximale Wirkung des
Abgasnachbrenners zu erzielen.
Je höher aber die Einströmgeschwindigkeit ist, desto höher ist der Strömungsverlust
und damit der Gegendruck. Hier sorgt erfindungsgemäß das Stellorgan am Eintrittsquerschnitt
für optimale Verhältnisse, indem bei niedrigem Durchsatz der Eintrittsquerschnitt
klein eingestellt und damit die Einströmgeschwindigkeit hoch genug; gehalten wird,
während bei großem Durchsatz der Eintrittsquerschnitt vergrößert wird, damit die
Einströmgeschwindigkeit nicht zu sehr ansteigt.
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Die F i g. 3 und 4 zeigen den durch eine Querwand unterteilten Abgasnachbrenner
mit Brennraum 21 und Nachbrennraum 22 in doppelwandiger Ausführung mit dem (doppelten)
Mantel 9, den Deckeln 10 und 11 und der Zwischenwand 12. Der Abgasstrom kommt im
Rohr 2 an, strömt tangential in den ersten Raum hinein, verläßt ihn durch die mittige
Bohrung 23 in der Zwischenwand 12 und strömt in Richtung des Wirbels durch das tangential
angesetzte Rohr 5 wieder ab. Der Einströmquerschnitt wird durch das Stellorgan 7
eingestellt. In F i g. 3 ist weiter gezeigt, wie durch eine Leitung 13, die zentral
im Deckel 10 der ersten Raumhälfte liegt, Zusatzluft eingeblasen werden kann, wobei
eine Umlenkplatte 14 verhindert, daß die Zusatzluft vom Abgas mitgerissen wird,
das durch die Öffnung in der Zwischenwand 12 abströmt.
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Bei diesem Abgasnachbrenner ist an den ersten Wirbelraum, in dem die
Verbrennung erfolgt, ein zweiter Wirbelraum mit auswärts gerichteter Strömung und
tangentialem Abfluß in Wirbelrichtung angeschlossen. Dieser zweite Wirbelraum ist
ein schaufelloser Diffusor, in dem bekanntlich die kinetische Energie des kreisenden
Mediums teilweise in Druck umgesetzt werden kann. Mit dem nachgeschalteten Wirbelraum
wird der Strömungswiderstand des Abgasnachbrenners verkleinert.
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F i g. 5 zeigt den Abgasnachbrenner in Form eines eingeschnürten Zylinders
als Beispiel mit doppelwandigem Mantel und Zufuhr der Zusatzluft durch den Zwischenraum
zwischen äußerem und innerem Mantel. Es wurde eine fertigungsgerechte Form gewählt.
Der zylindrische Außenmantel 15 umschließt mit Zwischenraum den Innenmantel 16,
der zur Trennung von Brennraum 21 und Nachbrennraum 22 die konzentrische Einschnürung
23 aufweist. Stirnseitig schließen die beiden Deckel 17 und 18 den Raum ab.
In dem Deckel 17 ist die Auspuffleitung 2 so eingefügt, daß der Abgasstrom
am Umfang tangential in den Raum einströmt. Entsprechend ist - in diesem Schnitt
nicht zu sehen - an der Seitenwand 18 das Rohr 5 zum Abströmen des Abgases tangential
zum Mantel 16 angefügt. Die Zusatzluft kann hier durch das Rohr 19 und durch den
Zwischenraum zwischen Außenmantel 15 und Innenmantel 16 über die Bohrungen 20 dem
Abgas zugeführt werden. Nicht dargestellt ist das Drosselorgan, das die Größe des
Einströmquerschnitts anschließend an das Rohr 2 regelt.
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Die Ausführung mit eingeschnürtem zylindrischem Raum entspricht in
der Funktion völlig dem mit einer Querwand unterteilten Raum; auch hier ist an den
ersten Verbrennungs-Wirbelraum der zweite Diffusor-Wirbelraum zur Rückgewinnung
der kinetischen Energie angeschlossen. Diese zweite Form ist aber durch die Rundungen
strömungsgünstiger zu gestalten; bei doppelwandiger Ausführung kann, wie gezeigt,
der Innenmantel 16 infolge seiner Form axiale und radiale Wärmedehnungen besonders
leicht ohne Schaden aufnehmen.