DE3543730A1 - Einrichtung fuer die verminderung der in den abgasen von dieselmotoren enthaltenen russpartikel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung am entsprechend gestalteten Abgaskrümmer von Dieselmotoren zur Aussonderung bezw. Verminderung der in den Abgasen noch enthaltenen Rußpartikel über einen Separationsvorgang bei gleichzeitiger thermischer Nachverbrennung dieser Teilchen durch zugeführte und von den Abgasen aufgeheizten Zusatzluft.

Die Verminderung der beim Betrieb von Dieselmotoren anfallende und mit den Abgasen ins Freie geleitete Rußanteil ist nach dem gegenwärtigen Stand der Technik in den sich hierfür anbietenden und noch technisch vertretbaren Perspektiven nicht problemlos. Beispielsweise würde bei einer Filterung der Abgase mit einbezogener Nachverbrennung der ausgefilterten Rußpartikel durch die dabei unverbrannt bleibenden Rückstände, wie Aschenreste usw., eine progressiv verlaufende Verschmutzung einer solchen Filteranlage nicht auszuschließen sein; sie würde aber zu einer in gleichem Maße verlaufenden Vergrößerung des Filter-Durchflußwiderstands und damit zu geringen Filterstandzeiten sowie zu einem stetig ansteigenden Kraftstoffverbrauch führen.

Im Gegensatz zu solchen Filteranlagen werden bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die unterschiedlichen spezifischen Gewichte der Abgasbestandteile von Dieselmotoren in fallender Größenordnung, wie Ruß, Kohlendioxid, Sauerstoff usw. und ihre damit durch Rotation erreichbare Schichtung für die Aussonderung der Rußpartikel aus den unmittelbar den Motor vrlassenden Abgasen genutzt. Unterstützt wird diese Aussonderung noch durch fächerartiges Einblasen von aufgeheizter Zusatzluft mit höherem Druck quer in den Abgasstrom, wobei die Rußpartikel infolge ihres vergleichbar höheren Strömungswiderstands zu anderen Abgas-Bestandteilen mitgerissen werden, sich aber auch gleichzeitig in diesem Strömungsverlauf mit O₂ zu CO₂ verbinden. Sollte dabei die Umwandlung der Rußpartikel in CO₂ plus Verbrennungsrückstände nicht vollständig sein, so lassen sich erfindungsgemäß weiter die nichtverbrannten bezw. teilverbrannten Rußpartikel mit den anderen in der Schichtung zusammengedrängten Abgas-Bestandteile über einen Bypass in einen Rußsammler ableiten.

Für die technische Beurteilung einer solchen erfindungsgemäßen Einrichtung, besonders im Hinblick auf ihre industrielle Anwendung im Kfz.-Bau, ist die Größe des erforderlichen Auffangvolumens für die teilverbrannten und unverbrannten Rußpartikel von ausschlaggebender Bedeutung. Beispielsweise beträgt der maximale Rußanfall bei einem 2 l Pkw.-Dieselmotor rd. 0,174 gr/km; zulässig sind 0,112 gr/km. Abgebaut werden müssen also 0,062 gr/km, so daß sich ohne eine Nachverbrennung ein Auffangvolumen bei einem spezifischen Rußgewicht von 165 kg/m³ für folgende Fahrstrecken ergibt:

bei 2.000 km   V = 0,75 l
bei 5.000 km   V = 1,88 l

Die erfindungsgemässe Einrichtung besteht aus einem im oder am entsprechend gestalteten Abgaskrümmer eines Dieselmotors angeordneten und vom Abgasstrom über einen vorgeschalteten Leitkranz direkt beaufschlagten Turboläufer, dessen Radkörper als Radial- Verdichter gestaltet ist. Umgeben ist dieser kombinierte Turbo- Radialverdichter von einm z. B. zweiteiligen Gehäuse, dessen äußerer und innerer Teil einen einstufig spiralförmig oder schraubenförmig verlaufenden Abgaskanal bilden, über den die Abgase mit den Resten der verbrannten Rußpartikel und den anderen Abgasbestandteilen in den Abgasstutzen geleitet werden. Bei einer 2-stufig spiralförmig verlaufenden Ausführung des Abgaskanals werden in der ersten Stufe die in diesem Kanal nach außen verdrängten unverbrannten und teilverbrannten Rußpartikel - vermengt mit anderen Abgasbestandteilen - über einen Bypass als Nebenstrom abgeleitet, während der Abgas-Hauptstrom über die zweite spiralförmig verlaufende Stufe des Abgaskanals in den anschließenden Abgasstutzen mündet. Das ein- oder zweiteilige Gehäuse bildet mit dem darin gelagerten Turbo-Radialverdichter eine an den hierfür ausgebildeten Abgaskrümmer anflanschbare Baueinheit.

Dem kombinierten Turbo-Radialverdichter vorgeschaltet ist eine in den Abgaskrümmer hineinragende und vom Abgasstrom direkt beaufschlagte glockenförmige Heizkammer für die vom Radialverdichter außen angesaugten Zusatzluft, die über diesen Verdichter mit höherem Druck fächerartig und quer den aus den Turboschaufeln austretenden Abgasstrom durchdringt. Das zylindrisch auslaufende bezw. strömungsgünstig geformte und durch einen Spalt vom Turbo-Schaufelkranz getrennte offene Ende der Heizkammer ist außen als Leitschaufelkranz ausgebildet, über den die Heizkammer im Flanschanschluß des Gehäuses mit dem darin gelagerten Turbo-Radialverdichter gehalten ist.

Die als Nebenstrom über den Bypass abgeführten teilverbrannten bezw. unverbrannten Rußpartikel und sonstige Abgasbestandteile werden erfindungsgemäß über den am Kopf eines Rußsammlers tangential und geneigt angeordneten Stutzen in den abnehmbaren Auffangbehälters dieses Sammlers eingeleitet. Bei der durch den relativ großen Behälterquerschnitt stark verminderten Geschwindigkeit dieses Abgas-Nebenstroms setzen sich die darin enthaltenen und als Sinkstoffe zu bewertenden Rußpartikel - unterstützt durch die vom Motorlauf herührenden und im Fahrbetrieb auftretenden Rüttelschwingungen unterschiedlicher Frequenzen und Vertikalstöße - in dem Behälter ab, während die übriggebliebenen Abgasbestandteile über eine Ableitung entweder in die Ansauganlage des Motors zur weiteren Nachverbrennung oder in den Hauptstrom der Abgasanlage zurückgeführt werden können.

Im Vergleich mit Filtern und sonstigen technischen Möglichkeiten zur Verminderung der in den Abgasen von Dieselmotoren enthaltenen Rußpartikel läßt die erfindungsgemässe Einrichtung folgende Vorteile erwarten:
∘ Geringer Raumbedarf für die direkt an den entsprechend gestalteten Abgaskrümmer des Motors anflanschbare Einrichtung und für die gesonderte Unterbringung eines Rußsammlers zur Aufnahme teilverbrannter und unverbrannter Rußpartikel.
∘ Kein Leistungsabfall des Motors und keine Motorlaufstörungen bei versäumter Leerung des Auffangbehälters, z. B. bei einer Fahrstrecke von 5.000 km durch den im gefüllten Zustand sich selbst abschaltenden Nebenstrom.
∘ Einheitliche Verwendung des für ein mittleres Abgasvolumen ausgelegten kombinierten Turbo-Radialverdichters als Baueinheit auch für Motoren mit größerem und kleinerem Abgas-Volumen durch die von diesem Volumen abhängige Drehzahl des Turbo- Radialverdichters.
∘ Die vom Turbo-Radialverdichter über die Abgase aufgenommene Energie wird zur Überwindung der Durchflußwiderstände der Abgasanlage bis auf die Reibungsverluste mit genutzt, desgleichen auch der durch die Nachverbrennung entstehende Energiezuwachs.
∘ Durch das Massenträgheitsmoment des kombinierten Turbo-Radialverdichters ist eine Dämpfung der aus dem Schalldruckverlauf der Motorabgase herausragenden Spitzen, wie sie durch Schwebungen aus der Reflexion schnell aufeinander folgender Schallwellen unterschiedlicher Frequenzen - z. B. bei schnellem Wechsel von Leerlast auf Teillast - entstehen könnten, zu erwarten.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verminderung der Rußanteile in den Abgasen eines Dieselmotors sind in den Fig. 1 bis 4 der folgenden Zeichnung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 die an einen entsprechend gestalteten Abgaskrümmer eines Dieselmotors angebaute Einrichtung und ihren inneren Aufbau mit der Anordnung des kombinierten Turbo-Radialverdichters sowie den Strömungsverlauf der Abgase und der Zusatzluft über die Heizkammer.

Fig. 2 den in Fig. 1 gekennzeichneten Schnitt A ÷B mit dem teilweise dargestellten inneren Gehäuseteil des Abgaskanals und die damit zum Teil freigelegte Draufsicht auf den Turbo-Schaufelkranz.

Fig. 3 den ebenfalls in Fig. 1 gekennzeichneten Schnitt A÷ B, jedoch ohne den inneren Gehäuseteil des Abgaskanals und die damit völlig freigelegte Draufsicht auf den Turbo-Schaufelkranz in einem 2-stufig spiralförmig verlaufenden Abgaskanal mit dem Bypass für die Ableitung teilverbrannter und unverbrannter Rußpartikel mit anderen restlichen Bestandteiln im Nebenstrom.

Fig. 4 die beispielsweise Ausführung eines Rußsammlers mit dem abnehmbaren Auffangbehälter und den Zu- und Abführungen.

In Fig. 1 ist 1 der kombinierte Turbo-Radialverdichter mit dem hierfür ausgebildeten Radkörper 2, der mit der Welle 3 in der Nabe 4 des inneren Gehäuseteils 5 gelagert ist. Dieser Gehäuseteil bildet mit dem äußeren Gehäuseteil 6 den Abgaskanal 7 und mit dem davon umschlossenen Turbo-Radialverdichter eine Baueinheit, die über den Anschlußflansch 8 an den form- und lochgleichen Flansch des hierfür gestalteten Motor-Abgaskrümmer 9 geschraubt ist. Die von den Abgasen direkt beaufschlagte kuppelförmige Heizkammer 10 für die Zusatzluft ragt in den Abgaskrümmer 9 hinein und wird über den am Ende dieser Kammer befindlichen Leitkranz 11 in der am Flansch des Abgaskrümmers vorgesehenen Aussparung gehalten. Die Zuführung der Zusatzluft erfolgt über das durch den Abgaskrümmer geführte und hier von den Absen beaufschlagte Rohr 12.

In Fig. 2 ist im Schnittbild der vom zweiteiligen Gehäuse 5 u. 6 gebildete und spiralförmig verlaufende Abgaskanal 7 dargestellt, der in den Abgasstutzen 13 mit angeflanschter Abgasleitung 14 mündet. Außerdem ist auf der einen Seite der Bruchlinie der freigelegte Teil des Turbo-Schaufelkranzes zu ersehen, während auf der anderen Seite des geschnittenen inneren Gehäuseteils 5 die Nabe 4 mit den außen liegenden Kühlrippen 15 für die Ableitung der Lagerwärme erkennbar sind.

In Fig. 3 ist im Vergleich mit dem Schnittbild der Fig. 2 der Abgaskanal 7 zweistufig verlaufend dargestellt, von dem die erste Stufe als Abgas-Nebenstrom in den Bypass 16 ausläuft, während die zweite Stufe des Abgaskanals als Hauptstrom in den Abgasstutzen 13 mit angeflanschter Abgasleitung 14 mündet.

In Fig. 4 ist 17 der Kopf des Rußsammlers mit dem tangential und geneigt angeordneten Einführungsstutzen 18 für die aus dem Bypass 16 austretenden teilverbrannten bezw. unverbrannten Rußpartikel, die sich beim Motorlauf und im Fahrbetrieb im abnehmbaren Auffangbehälter 19 absetzen, während die übrig gebliebenen Abgasbestandteile über den am Kopf des Rußsammlers mittig angebrachten Austrittsstutzen 20 entweder in die Ansauganlage des Motors zur weiteren Nachverbrennung eingeleitet oder in den Abgas-Hauptstrom der Abgasanlage zurückgeführt werden können.

Claims (4)

1. Einrichtung für die Verminderung der in den Abgasen von Dieselmotoren enthaltenen Rußpartikel, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Motor austretenden Abgase einen im oder am Abgaskrümmer (9) befindlichen Turboläufer (1) betreiben, dessen Radkörper als Radial-Verdichter (2) ausgebildet, einen kombinierten Turbo-Radialverdichter ergibt, der von einem ein- oder zweiteiligen Gehäuse umschlossen ist, wobei der innere Gehäuseteil (5) mit dem äußeren Gehäuseteil (6) einen spiralförmig oder schraubenförmig verlaufenden Abgaskanal (7) bildet und die Lagerung der Welle (3) des kombinierten Turbo- Radialverdichters in der Nabe (4) des inneren Gehäuseteils erfolgt und daß das ein- oder zweiteilige Gehäuse mit dem darin gelagerten Turbo-Radialverdichter eine Baueinheit bilden, die mit einem Flansch (8) an den am Abgaskrümmer befindlichen Gegenflansch angeschraubt ist.

2. Einrichtung für die Verminderung der in den Abgasen von Dieselmotoren enthaltenen Rußpartikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem kombinierten Turbo-Radialverdichter eine in den Abgaskrümmer hineinragende und vom Abgasstrom beaufschlagte glockenförmige Heizkammer (10) vorgeschaltet ist, deren strömungsgünstig geformtes offene Ende außen die den Abgasstrom in den Turboschaufelkranz einlenkenden Leitschaufeln (11) trägt, mit denen die Heizkammer in einer Aussparung am Flanschanschluß des Abgaskrümmers (9) gehalten wird, während die vom Radialverdichter (2) über ein mit Abgaskrümmer angeordnetes und ebenfalls vom Abgasstrom beaufschlagtes Rohr (12) in die Heizkammer eingesaugte Zusatzluft aus diesem Verdichter mit höherem Druck so austreten kann, daß die fächerartig den die Turboschaufeln verlassenden Abgasstrom quer durchdringt.

3. Einrichtung für die Verminderung der in den Abgasen von Dieselmotoren enthaltenen Rußpartikel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den inneren und äußeren Gehäuseteil (5 u. 6) gebildete Abgaskanal (7) in zwei Stufen spiralförmig verläuft und die erste Stufe in einen Bypass (16) mündet, über den infolge der Fliehkraft die Abgasbestandteile mit höherem spezifischen Gewicht, wie teilverbrannte und unverbrannte Rußpartikel, in dem Abgaskanal nach außen gedrängt, als Abgas-Nebenstrom abgeleitet werden, während die spezifisch leichteren Abgasbestandteile über die zweite, ebenfalls spiralförmig verlaufende Stufe, als Abgas- Hauptstrom über den Abgasstutzen (13) in die Abgasleitung (14) eintreten.

4. Einrichtung für die Verminderung der in den Abgasen von Dieselmotoren enthaltenen Rußpartikel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Bypass (16) austretende Abgas-Nebenstrom über den am Kopf (17) eines Rußsammlers tangential und geneigt angeordneten Stutzen (18) schraubenförmig verlaufend in den abnehmbaren Sammelbehälter (19) eingeleitet wird, wobei die bauliche Größe dieses Behälters in dem Strömungsverlauf eine starke Geschwindigkeitsverminderung ergibt, bei der sich die Rußpartikel als Sinkstoffe, unterstützt durch Motorschwingungen und Fahrstöße, im Sammelbehälter absetzen, während der von diesen Rußpartikeln größtenteils befreite Abgas-Nebenstrom über den mittig im Kopf (17) befindlichen Ableitungsstutzen (20) entweder zur weiteren Nachverbrennung in die Ansauganlage des Motors oder in den Abgas-Hauptstrom zurückgeführt wird.