DE2243428A1

DE2243428A1 - Anlage zur abgasentgiftung von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2243428A1
Application number: DE2243428A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Ing Dr Woessner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1972-09-04
Filing date: 1972-09-04
Publication date: 1974-03-14
Also published as: GB1435345A; FR2174494A5; US3962869A; JPS4967012A

Description

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31.8.1972 Su/Kb 2243428

Anlage zur

Patent- und

Geb rauchs raus terhiIfs anmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1

Anlage zur Abgasentgiftung von Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Abgasentgiftung von Brennkraftmaschinen mit mindestens einem thermischen oder katalytisehen Reaktor im Auspuffsystem.

Bekanntlich ist der den Reaktor aufnehmende Teil der" Auspuffanlage von der Brennkraftmaschine entfernt, um zu verhindern, daß Auspuffwärme an die Brennkraftmaschine abgegeben wird und damit deren Kühlung verzögert, abgesehen davon, daß bei Kraftfahrzeugen in dem den Motor aufnehmenden Raum kaum Platz für Schalldämpfer oder Reaktoren vorhanden ist. Aus diesem Grunde sind die Abgase bis sie vom Motor zum Reaktor gelangen, bereits etwas abgekühlt, was insbesondere in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine zu einem schlechten

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Arbeiten des Reaktors führt. Abgesehen davon sind in dem Reaktor selbst die Wärmeunterschiede zwischen eintretenden und ausgelassenen Gasen recht hoch, was über den ganzen thermischen Arbeitsbereich gesehen zu nicht unerheblichen Spannungen des Materials sowie zu ungleichmäßiger Aufbereitung der Abgase führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Abgasentgiftunganlage zu entwickeln, bei der auch im Reaktor ähnlich hoche Temperaturen wie im Auspuffkrümmer beim Motor herrschen, bei der im Reaktor ein günstiger Temperaturausgleich herrscht, und bei der außerdem mit einfachen Mitteln schon in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine eine günstige Arbeitstemperatur des Reaktors regel- ■ bar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Regelung der Wärmeverteilung ein Wärmerohr verwendet wird, mit axial nacheinander angeordneter Verdampfungszone, insbesondere nach außen isolierter Transportzone und Kondensations· zone und einem radial durchlässigen kapillaren Innenrohr, das innen den zur Kondensationszone strömenden Dampf und außen die zur Verdampfungsz-one fließende Flüssigkeit leitet. Die Wärme wird in der Verdampfungszone des Wärmerohres auf- ' genommen und nahezu isotherm der Kondensationszone im Reaktor zugeführt, in der dann das Arbeitsmedium kondensiert und infolge der Kapillarkräfte (Oberflächenspannung) in den Kapillaren wieder zur Verdampfungsζone zurückströmt. Durch ein derartiges Wärmerohr ist eine relativ hohe Wärmetransportleistung möglich, bei praktisch konstanter Temperatur. Es handelt sich also um einen V/ärmeflußtrans format or, der unabhängig von der Existenz eines Gravitationsfeldes arbeitet.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmerohrabschnitt mit Verdampfungszone in der Nähe der

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Auslaßventile der Brennkraftmaschine, der mit Kondensationszone im Reaktor angeordnet, wobei vorteilhafterweise der Wärmerohrabschnitt mit Transportzone flexibel ausgebildet ist und insbesondere außerhalb des Auspuffrohres verläuft. Durch geeignete Ausführung des Wärmerohres im Reaktor kann der Temperaturgradient im Reaktormaterial soxiohl in Strömungsrichtung als auch über den Strömungsquerschnitt verringert werden, da der Temperaturabfall im Wärmerohr, auch in'der Kondensationszone, nur sehr gering ist. Für einen günstigen Wärmeausgleich kann der Wärmerohrabschnitt mit Kondensationszone auf der dem Abgas ausgesetzten Seite mit längs und quer zur Rohrachse angeordneten, der Wärmeübertragung dienenden Leitflächen, wie Rippen, wabenförmigen Blechen, Umleitblechen und dergleichen wärmeleitend verbunden sein. Diese Wirkung wird noch unterstützt, wenn erfindungsgemäß mindestens ein insbesondere als Rippen des Hauptwärmerohres ausgebildetes Sekundärwärmerohr im Auspuffsystem vorgesehen ist, dessen Abschnitt mit Verdampfungszone wärmeleitend in Berührung steht mit dem Abschnitt mit Kondensationszone des Hauptwärmerohres .

Um ein günstiges Arbeiten des Reaktors zu erreichen und um insbesondere eine überhitzung zu vermeiden, kann das Wärmerohr auch als Temperaturregler arbeiten. Nach einer bestimmten Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb die Länge des wirksamen Kondensationsabschnittes änderbar. Hierbei kann das Wärmerohr mit dem der Verdampfungszone abgewandten Ende mit einem insbesondere Edelgas enthaltenden Gasbehälter verbunden sein, wobei sich zwischen wirksamer Kondensationszone und Gaszone eine Trennzone quer zur Wärmerohrachse einstellt. Durch die Temperaturregelung kann das Katalysatormaterial auf ein Minimum eingespart werden, da die Arbeitsflächen aufgrund des besseren Temperaturausgleichs über der Zeit wesentlich kleiner gehalten werden können. Bei der Verwendung eines Edelgases stellt sich in einem gewissen Bereich unabhängig von der zugeführten Wärmemenge die Temperatur im Wärmerohr stets so ein, daß der zu dieser

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Temperatur zugehörige Dampfdruck gleich dem Gasdruck ist. Eine Änderung der zugeführten Wärmemenge bewirkt insofern lediglich eine Verschiebung der Trennzone zwischen Arbeitsmedium und Edelgas und somit eine Änderung der Länge des Kondensationsabschnittes des Wärmerohres (wärmeabgebende Fläche). Bei unverändertem Gasdruck jedoch bleibt auch die Temperatur des Wärmerohres unverändert. Ideal wäre ein unendlich großer Gasbehälter, weshalb erfindungsgemäß das Volumen des Gasbehälters änderbar ist und als Gasbehälter vorzugsweise ein Faltenbalg dient. Statt einem Faltenbalg können jedoch auch sonstige Verdrängungskörper dienen. Die Regelung kann zusätzlich dadurch

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beeinflußt werden, daß erfindungsgemäß 'der Kpndensationsabschnitt des Wärmerohres teilweise aus dem Reaktor herausragt und vorzugsweise auf diesem freien Ende mit Kühlrippen versehen ist. Bei entsprechender Temperaturänderung wandert dann die Trennschicht in diesen herausragenden Abschnitt, wodurch die Kondensation beschleunigt wird.

Nach einer anderen Ausgestaltug der Erfindung für die Wärmeregelung ist ein zweites unabhängig arbeitendes Wärmerohr im Abgassystem angeordnet, wobei das Hauptwärmerohr zur Reaktorheizung dient und insbesondere als Doppelrohr ausgebildet ist, dessen von beiden Rohren eingeschlossener Ringraum die Arbeitszonen aufnimmt und daß das zweite Wärmerohr zur Temperaturregelung mit seinem Verdampfungsabschnitt in das vom Abgas durchströmte Innenrohr des Hauptwärmerohres ragt.

Nach einer ergänzenden Ausgestaltung der Erfindung ist ein als Doppelrohr ausgebildetes Wärmerohr als Mantel um den Reaktor angeordnet und seine Verdampfungszone ist wärmeleitend, insbesondere mit den Reaktorarbeitsflächen verbunden und die Kondensationszone ist der Umgebungsluft ausgesetzt. Bei entsprechender Vfahl des Arbeitsmediums

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wird von dem Reaktor außen erst dann Wärme- abgeführt, wenn er eine günstige Arbeitstemperatur erreicht hat. Als Arbeitsmedium kann beispielsweise Natrium dienen, das . einen Siedepunkt von 882 C hat. Erst wenn diese Temperatur erreicht ist, beginnt das Natrium zu verdampfen und die über dieser Temperatur liegende Wärme wird durch das Wärmerohr nach außen mittels der Kondensationszone abgeführt. Hierbei wird insbesondere ausgenutzt, daß beim übergang sowohl vom festen in den flüssigen Zustand eines Elements (beispielsweise Natrium., Kalium) bzw. einer Verbindung (Salze und dergleichen)·, als, auch vom flüssigen in den gasförmigen Zustand, bei der Wärmezufuhr solange isotherme Verhältnisse (konstante Temperatur) herrschen, bis das gesamte Arbeitsmedium den neuen Aggregatzustand erreicht hat. Da beispielsweise Salz in festem Zustand ein schlechter Wärmeleiter ist, wirkt" das Wärmerohr auch als Isolator nach außen (Strahlungsschild).

Mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind vereinfacht in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden naher beschrieben.

Bei der in Figur 1 gezeigten gesamten Anlage, einer Brennkraftmaschine wird ein Motor 1 durch ein Saugrohr 2, das durch eine Drosselklappe 3 über ein Gaspedal 4 gesteuert wird, mit Luft versorgt. Dieser Luft wird durch eine Kraftstofförderpumpe 5 und eine Kraftstoffzumeßanlage 6 Kraftstoff aus einem Behälter 7 zugegeben. Die Abgase des Motors 1 werden in einem Auspuffkrümmer 10 gesammelt und über ein Auspuffrohr 11 einem Reaktorbehälter 12 zugeführt, in dem die noch nicht voll verbrannten Abgase nachverbrannt werden, um dann über ein Rohr 13 ins Freie zu gelangen. Zur übertragung der im Abgaskrümmer 10 herrschenden hohen Abgastemperaturen zum Reaktor 12 hin, dient ein Wärmerohr

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lH, dessen Verdunstungsabschnitt 15 im Auspuffkrümmer und dessen Kondensationsabschnitt 16 im Reaktor 12 angeordnet ist. Zwischen Abschnitt 15 und 16 ist ein flexibler Transportabschnitt 17 angeordnet, der außerhalb der Auspuffanlage verläuft und der nach außen wärmeisoliert ist. In Fig. 2 ist dieser flexible Abschnitt 17 vergrößert dargestellt, in dem als kapillares Innenrohr ein schraubenförmig gewundener Draht 18 dient. Der Außenmantel 19 ist aus entsprechend gut isolierendem Material hergestellt. Statt dem Drahtrohr kann jedoch auch ein feines Maschennetzrohr oder ein Docht oder dergleichen dienen.

Um eine günstige Wärmeaufteilung und Wärmeleitung zu erhalten, sind auf dem Abschnitt 16, wie in Fig. 1 dargestellt, Rippen

20 angebracht, zwischen denen wiederum Bleche und Lamellen

21 angeordnet sind, deren Oberflächen mit katalytischem Material, beispielsweise Platin, bedampft sind und die wie durch die Pfeile dargestellt vom Abgas umströmt sind.

Eine Verbesserung des Wärmeübergangs kann wie in Pig. 3 4 und 5 dargestellt, dadurch erreicht werden, daß zusätzlich zu dem schon beschriebenen Primärwärmeröhr mehrere Sekundärwärmerohre vorgesehen sind, die mit ihrem Verdampfungsabschnitt wärmeleitend mit dem Kondensationsabschnitt des Primärwärmerohres verbunden sind. In Pig. 3 sind auf dem Kondensationsabschnitt 22 des Primärwärmerohres radial Sekundärwärmerohre 23 angeordnet, mit ihrem Verdampfungsabschnitt fest mit dem Rohrabschnitt 22 verbunden. Die Sekundärwärmerohre 22 können entweder als viele Röhrchen deren Längsachse radial zur Achse des Rohrabschnitts 22 verläuft, angeordnet sein oder die Achse dieser Sekundärwärmerohre 23 kann parallel zu der Achse des Primärwärmerohres

22 verlaufen. In jedem Fall hat jedes Sekundärwärmerohr ein eigenes Kapillarrohr und arbeitet als geschlossenes System.

In Fig. Ί ist ein Reaktor 2Ί dargestellt, bei dem das Wärmerohr mit seinem Abschnitt 25 aus dem Reaktor 2k

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herausgeführt ist und auf diesem Abschnitt 25 mit Kühlrippen

26 versehen ist. Außerdem ist dieses Ende über ein Rohr

27 mit einem Behälter 2 8 verbunden, der mit Edelgas gefüllt ist. Wie bei den vorher beschriebenen Wärmerohren wird auch hier das Arbeitsmedium des Wärmerohres im nicht dargestellten Verdampfer verdampft ,und dem Reaktor 2H im Inneren des Wärmerohres 29 zugeführt, um dann im Reaktor bzw. in dem Abschnitt 25 kondensiert zu werden* Das Kondensat wird dann aufgrund der Kapillarwirkung des Kapillarrohres 30 wieder dem Verdampfer zugeführt. Zwischen der Kondensat!onszone des V/ärmerohres und dem Edelgas bildet sich eine verhältnismäßig scharfe Trennung in Form von einer Trennschicht 31. Eine Änderung der zugeführten Wärmemenge bewirkt nun lediglich eine Verschiebung der Trennzone zwischen Arbeitsmedium und Gas und somit eine Änderung der wärmeabgebenden Fläche im Kondensat!onsabschnitt des Wärmerohres. Bleibt bei veränderter Wärmezufuhr der Gasdruck unverändert, so bleibt auch die Temperatur des- Wärmeröhres unverändert. Die Temperatur des Wärmerohres stellt sich ;also in einem gewissen Bereich unabhängig von der zugeführten Wärmemenge stets so ein, daß der zu dieser Temperatur zugehörige Dampfdruck (nur stoffabhängig) gleich dem Gasdruck ist.

Fig. 5 zeigt einen Reaktor 32 in dem das Wärmerohr 33 als Doppelrohr ausgebildet ist, durch dessen Innenrohr J>k das Abgas zugeführt, dann gewendet und über den Katalysatorteil um das Außenrohr herumgeführt wird. Zwischen Innenrohr und Außenrohr ist natürlich ein Kapillarrohr angeordnet. In das Innenrohr 34 ragt von der Endseite dieses Kondensationsabschnittes her ein als Fühler ausgebildeter Verdampfungsabschnitt 35 eines zweiten Wärmerohres herein, das mit seinem mit Kühlrippen 37 versehenen Kondensationsabschnitt 36 teilweise aus dem Reaktor 32 herausragt und mit einem Gasbehälter 38 verbunden ist. Auf diese V/eise kann die das Innenrohr durchströmende Abgastemperatur Vor Eintritt in den Katalysator, aufgrund der mehr oder weniger großen

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Wärmeabfuhr des zweiten Wärmerohres in gewissen Grenzen geregelt werden.

In Fig. 6 ist ein Reaktor 40 dargestellt mit einem Primärwärmerohr 4l und einem quer dazu angeordneten Sekundärwärmerohr 42. Primärwärmerohr und Sekunda'rwärmerohr haben eine wärmeleitende Verbindung an der Kreuzungsstelle 43. Das Sekundärwärmerohr ist an beiden Endabschnitten mit Faltenbälgen 44,45 ausgestattet, die mit unterschiedlichem Edelgas gefüllt sind, wodurch eine unterschiedliche Temperaturregelung erfolgen kann. Der Verdampfungsabschnitt des Sekundärwärmerohres 42 ist an der Kreuzungsstelle 43, während die Kondensationsabschnitte jeweils den Faltenbälgen 44 und 45 zugewandt sind. Zwischen Edelgas und Arbeitsmedium bildet sich jeweils eine Trennschicht 46 und 47. Durch äußeren mechanischen Eingriff läßt sich der Gasdruck in den Faltenbälgen 44 und 45 ändern, um so zusätzlich die Regelung zu beeinflussen.

Um schnell eine günstige Arbeitstemperatur des Reaktors zu erreichen und außerdem zu vermeiden, daß zu viel Wärme nach außen abgeführt wird, ist bei dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel entweder zusätzlich oder unabhängig von dem zum Saugrohrkrünmer führenden vorher beschriebenen Wärmerohr, ein Wärmerohr 48 um den Reaktor 49 mantelförmig angeordnet. Dieses Wärmerohr 48 ist vorzugsweise mit einem Arbeitsmedium gefüllt, das bei Temperaturen, die niederer als eine günstige Arbeitstemperatur sind, fest ist und dann im günstigen Arbeitsbereich flüssig bzw. gasförmig wird. Als solche Medien eignen sich beispielsweise verschiedene Salze wie Strontiumfluorid, Pottasche, Soda, Kaliumfluorid, Lithiumfluorid, Kochsalz usw. sowie auch reine Metalle wie Natrium und Kalium, jedenfalls Medien, deren Schmelztemperatur zwischen 800 und 900⁰C liegt. In Berührung mit dem Reaktor 49 steht nur der Verdampfungsabschnitt 50 des Wärmerohres während der Kondensationsabschnitt 51 durch die Außenluft gekühlt wird. Solange die günstige Arbeitstemperatur

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nicht; erreicht ist, wirkt das Arbeitsmedium als W:ä3?meisolator oder Hitzeschild (fester Stoff als I§©.:).atoi»!U Sobald gedoeh die Schmelz- und Ye\rdampfungs temperatur des Arbeitsmediums überschritten wird und beispielsweise Temperaturen erreieht werden könnteiiL die dag Material des Beajitprs gefährdenj, wird aufgrund der Zirkulation im Wärmerohr die höherliegende Temperatur durch Wärmeabfuhr gesenkt. Das Warmerohr UQ ist wie das in lig, 5 dargestellte Hauptwärmerphr 34 als Bpppelrohr ausgebildet, in den? dann zv;isehen Innen- und Außenrohr ein Kapillarrphr angeordnet .ist-

Die in Pig» 8 dargestellte Forriehtung arbeitet iin fr-inzip. wie die in Pig. J dargestellte. Im Untersßhied zu dieser hat das Wärmerohr §2 zwei an beiden Enden gelegene abschnitte 53? währejid der "Verdampfungsabschnitt S^ ll-ber Wärmekontaktbrücken 55 (?3?,eßßitz) mit dem geaictp.r 5-6 in Verbindung steht.

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Claims

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Ansprüche

Anlage zur Abgasentgiftung von Brennkraftmaschinen mit mindestens einem thermischen oder katalytischen Reaktor im Auspuffsystem, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Wärme verteilung ein Wärmerohr (1*1) verwendet wird» wit axial nacheinander angeordneter Verdampfungszone (15) insbesondere nach außen isolierter Transportzone (17) und Kondensationszone (16) und einem radial durchlässigen kapillaren Innenrohr (18), das innen den zur Kondensat ions ^- zone (16) strömenden Dampf und außen die zur Verdampfungszone (15) fließende Flüssigkeit leitet.

2, Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmerohrabsehnitt (15) pifc Verdampfungszone in der Nähe der Auslaßventile der Brennkraftmaschine, der mit; zone (16) im Reaktor (12) angeordnet ist.

|_t Anlage naßh Anspruch ι oder 2, dadurch der Wärmerohr abpchni %% raifc Transport zone (17) ausgebildet ist und insbesondere außerhalb des Auspuff rohres verläuft.

Ablage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet> Kapillarrohr ein schraubenförmig gewundener Prafyt; (18) dient.

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5. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmerohrabschnitt mit Kondensationszone (l6) auf der dem Abgas ausgesetzten Seite mit längs und quer zur Rohrachse angeordneten, der Wärmeübertragung dienenden Leitflächen wie Rippen (20), wabenförmigen Blechen (21), Umleitblechen und dergleichen wärmeleitend verbunden ist.

6. Anlage nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Leitflächen mit katalytischem Material' (Platin) insbesondere bedampft sind.

7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Auspuff in Strömungsrichtung vor dem Reaktor Leitschaufeln angeordnet sind, durch die die Abgasströmung für einen besseren Wärmeübergang verwirbelt wird.

8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein insbesondere als Rippe des Hauptwärmerohres (22) ausgebildetes Sekundärwärmerohr (23) im Auspuffsystem vorgesehen ist, dessen Abschnitt mit Verdampfungszone wärmeleitend in Berührung steht mit dem Abschnitt mit Kondensat!onszone des Hauptwärmerohres.

9. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des wirksamen Kondensationsabschnittes (31_S25) änderbar ist.

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10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das' Wärmerohr (29) mit dem der Verdampfungszone abgewandten Ende mit einem insbesondere Edelgas gefüllten Gasbehälter (28) verbunden ist, wobei sich zwischen wirksamer Kondensationszone (30) und Gaszone (25) eine Trennzone (31) quer zur Wärmerohrachse einstellt.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Gasbehälter (44,45) änderbar ist und als Gasbehälter vorzugsweise ein Faltenbalg dient.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensationsabschnitt (30) teilweise aus dem Reaktor (24) herausragt und vorzugsweise auf diesem freien Ende (25) mit Kühlrippen (26) versehen ist.

13. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites unabhängig arbeitendes Wärmerohr (35,36) im Abgassystem angeordnet ist.

14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptwärmerohr (33) zur Reaktorheizung dient und insbesondere als Doppelrohr ausgebildet ist, dessen von beiden Rohren eingeschlossener Ringraum die Arbeitszonen aufnimmt und daß das zweite Wärmerohr (35,36) zur Temperaturregelung mit seinem Verdampfungsabschnitt in das vom Abgas durchströmte Innenrohr (34) des Hauptwärmerohres (33) ragt. ^09811/0693

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15. Anlage nach einem de» yqrfc|ergehenden Ansgpgphe^ dadurch gekennzeichnet, daß ein als Dpppelrohr ausgebildetes Wärmerohr (Jl8,52) als Mantel um den Reaktor iÜ9,5.61 eingeordnet ist und seine Yerdarapfungszöne CgQjpiJl leitend insbesondere mit: den Beaktorarbe^tsflasten ist und seine KQndejnsatiQnszpne (5Λ>53) §gp pmgebungs,-lμft ausgesetz|; ist.·

16. Anlage nach einem der; yopliergehenden An's ^kennzeichnet, daß die
einem mittleren Abschnitt i%X\ des ist und nach 4e ^ίΐϊ^^ frans P ort ζ one den Enderi' deg Rohres zugewandt Hardens at ions ζ QrjiB C51?53)

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