EP0214974B1

EP0214974B1 - Abgasreaktor und verfahren zum behandeln von abgas

Info

Publication number: EP0214974B1
Application number: EP19850902449
Authority: EP
Inventors: Hans Karl Leistritz
Original assignee: Individual
Current assignee: LEISTRITZ, HANS KARL
Priority date: 1984-05-10
Filing date: 1985-05-10
Publication date: 1991-02-20
Anticipated expiration: 2005-05-10
Also published as: AU4300085A; EP0214974A1; WO1985005405A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine in einem Abgasreaktor gemäß den weiteren im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Ein Abgasreaktor zur Durchführung des gattungsgemäßen Verfahrens ist aus der DE-A-33 00 521 bekannt. Die hierbei von der Brennkraftmaschine periodisch ausgestoßene Abgasmenge gelangt zunächst in eine im Reaktorgehäuse vorgesehene Strahlrohrgruppe, innerhalb der sie mit Luft zu einem Abgas-Luftgemisch vermischt wird. Das die Strahlrohrgruppe verlassende Abgas-Luftgemisch gelangt anschließend in eine Nachverbrennungskammer. Die Nachverbrennungskammer umfaßt eine ebene und quer zur Strömungsrichtung des Abgas-Luftgemisches ausgerichtete Rückwurfwand und eine Zündeinrichtung. Das gegen die Rückwurfwand vorlaufende Abgas-Luftgemisch wird hierbei entgegengesetzt zur Vorlaufrichtung reflektiert, wobei eine Verdichtung des Abgas-Luftgemisches eintritt und gleichzeitig das verdichtete Gemisch von der Zündeinrichtung zur Nachverbrennung gebracht wird. Das derart nachverbrannte Abgas-Luftgemisch verläßt die Nachverbrennungakamner in Richtung eines stromauf gelegenen Auslaßraumes, der mit einen nach außen führenden Auspuffkanal verbunden ist. Die Verdichtung des Abgas-Luftgemisches vor der Rückwurfwand ist jedoch nicht so hoch, das die Selbstentzündungstemperatur erreicht wird, weshalb die Nachverbrennung ständig durch die Zündeinrichtung unterstützt werden muß.
Ferner ist zu berücksichtigen, daß während der Nachverbrennung kurzzeitig eine Druckerhöhung in der Nachverbrennungskammer auftritt, die zu einer die Leistung der Brennkraftmaschine beeinträchtigenden Erhöhung des Abgasgegendruckes im Abgassystem führen kann.
Desweiteren ist aus der DE-A-32 00 567 ein Abgasreaktor bekannt, der eine Strahlrohrgruppe und eine sich daran anschließende Nachverbrennungskammer umfaßt, die beide vom Aufbau her ähnlich gestaltet sind wie beim gattungsgemäßen Abgasreaktor und der somit die gleichen Nachteile besitzt wie dieser.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Abgasreaktor zur Nachbehandlung der von einer Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgase zu schaffen, mit dem zumindest bei betriebswarmer Brennkraftmaschine eine selbsttätige Nachverbrennung der Abgase ohne Erhöhung des Abgasgegendruckes erreicht wird.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abgasreaktors, insbesondere seiner Rückwurfwand, wird die an dieser reflektierte Stoßwelle fokussiert, das heißt stark gebündelt und dabei hoch verdichtet. Hierdurch entsteht im Bereich der Nachverbrennungskammer eine Heißgaszone mit derart hohen Temperaturen, die zumindest nach der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine über der Selbstentzündungstemperatur der der Stoßwelle nachfolgenden Abgaswelle liegen. Dies hat den Vorteil, daß das von der Brennkraftmaschine ausgestoßene Abgas in der Heißgaszone ohne fremde Zündhilfe nachverbrannt werden kann, wodurch das Verfahren zur Nachverbrennung der Abgase einfacher und sicherer wird. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich durch die besondere Ausgestaltung des der Nachverbrennungskammer nachfolgenden Reaktorgehäuses als Schubdüse mit anschließender Zugstrecke. Hierdurch wird das in der Heißgaszone hoch verdichtete Abgas-Luftgemisch durch die Schubdilse und die Zugstrecke beschleunigt in den Auspuffkanal abgeführt und dadurch eine Erhöhung des Abgasgegendruckes im gesamten Abgassystem verhindert, so daß die Leistung der Brennkraftmaschine durch den Abgasreaktor nicht beeinträchtigt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
In der Zeichnung sind verschiedene Schnittbilder von Ausführungsformen erfindungsgemäßer Abgasreaktoren dargestellt Es zeigen

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel, insbesondere für einen Zweitaktmotor, mit kegelstumpfförmigem Haubenteil als Rückwurfwand;
Fig. 2: ein weiteres Ausführungsbeispiel, ähnlich Fig. 1, jedoch mit davon abweichender Sekundärluft-Nachmischung durch einen Ringraum um die Zündkerze;
Fig. 2a: ein weiteres Ausführungsbeispiel, ähnlich dem in Fig. 2, jedoch mit davon abweichender Sekundärluft-Nachmischung;
Fig. 3: ein weiteres Ausführungsbeispiel, insbesondere für Viertakt-Ottomotoren mit gewölbtem Haubenteil als Rückwurfwand;
Fig. 4: ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Zugstrecke und Resonanzraum hinter der Schubdüse;
Fig. 5: ein weiteres Ausführungsbeispiel in rein axialer Bauweise mit einem ausgangsseitigen Welle-Gas-Separator;
Fig. 6: ein weiteres Ausführungsbeispiel mit gewölbten Rohrwandungen als Rückwurfwand;
Fig. 7: ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Fokussierung der Stoßvelle hinter der Strahlrohrgruppe;
Fig. 8: ein weiteres Ausführungsbeispiel mit Umlenkung von Stoßvelle und Gasquant durch einen durch die Strahlrohrgruppe sich erstreckenden Hohlleiter;
Fig. 9: ein weiteres Ausführungsbeispiel, ebenfalls mit einem Welle-Gas-Separator am Ende einer Zugstrekke;
Fig. 10: eine weitere Ausführungsform, ähnlich Fig. 8, jedoch mit unterschiedlicher Abführung des ausgebrannten Endgases;
Fig. 10a: eine Variante zur Ausführungsform gemäß Fig. 10;
Fig. 11: ein weiteres Ausführungsbeispiel in sehr einfacher, rein axialer Bauweise, insbesondere für Einzylinder-Brennkraftmaschinen
Fig. 12: ein weiteres Ausführungsbeispiel mit doppeltem Stoßrohr und Vorwärmung des Reaktionsraumes.

In der nachfolgenden Beschreibung soll zunächst ausführlich auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eingegangen werden, um die grundsätzlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung zu erläutern. Bei den Ausführungsbeispielen der nachfolgenden Figuren soll dann nur noch auf die jeweils abweichenden Merkmale eingegangen werden.
In Fig. 1 ist mit 10 gesamthaft ein Abgasreaktor für eine Brennkraftmaschine bezeichnet. Die Brennkraftmaschine befindet sich bei der Darstellung gemäß Fig. 1 hinter dem Abgasreaktor 10. Man erkennt einen Kolben 11 hinter einem Auslaßkanal 12, der im dargestellten Ausführungsbeispiel der Auslaßkanal 12 eines Zweitaktmotors sein kann. In der in Fig. 1 dargestellten Stellung befindet sich der Kolben 11 in einer Position, die einer halben Öffnung des Auslaßkanals 12 entspricht.
Der Abgasreaktor 10 ist in einem doppelwandigen Gehäuse 13 enthalten, das zur Schall- und Wärmeisolierung mit einem an sich bekannten und hierzu geeigneten Isoliermaterial 14 ausgfüllt sein kann.
Links unten erkennt man am Gehäuse 13 einen Auspuffkanal 15, der zu einem an sich bekannten Auspuffsystem mit Schalldämpfern u.dgl. führt.
An einen Boden 16 des Gehäuses 13 ist eine erste Lufteinzugsleitung 17 angeschlossen, der im Inneren des Gehäuses 13 mit einer Abschlußwand 18 verschlossen ist. Unterhalb der Abschlußuand 18 befinden sich seitliche Öffnungen 19, durch die eine bei 20 angedeutete erste Frischluft von der ersten Lufteinzugsleitung 17 einströmen kann.
An der rechten oberen Ecke des Gehäuses 13 erkennt man eine zweite Lufteinzugsleitung 21, in der sich, ebenfalls in beispielhafter Darstellung, ein schalldämpfendes Element 22 befinden kann. Durch die zweite Lufteinzugsleitung 21 kann eine mit 23 angedeutete zweite Frischluft eintreten.
Ein Deckel 24 des Gehäuses 13 weist schließlich eine dritte Lufteinzugsleitung 25 auf, in der sich, ebenfalls in beispielhafter Darstellung, eine Regelklappe 26 befinden kann. Es versteht sich dabei, daß auch die anderen Lufteinzugsleitungen 17 und 21 mit derartigen Regelklappen versehen sein können, was auch auf die nachstehend noch geschilderten Ausführungsbeispiele zutrifft.
Im Bereich des Bodens 16 des Gehäuses 13 erkennt man einen Zwischenboden 27, der eine erste Lufteinzugskammer 28 abteilt. In entsprechender Weise ist der Raum im Bereich des Deckels 24 des Gehäuses 13 als zweite Lufteinzugskammer 29 definiert.
Oberhalb der ersten Lufteinzugskammer 28 befindet sich ein als Abgas-Eingangsraum 30 definierter Raum, in den der Auslaßkanal 12 mündet. In den Abgas-Eingangsraum 30 tritt ein bei 31 angedeutetes Abgas ein und wird von dort zu einer Strahlrohrgruppe 32 geleitet.
Die Strahlrohrgruppe 32 ist bündelartig ausgebildet, d.h. sie ist ein im wesentlichen axialsgmmetrisches Element, das um die Achse des Abgasreaktors 10 verteilt eine Fülle von Leitungen enthält, die über Umfänge verteilt angeordnet sind.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind zunächst axiale Rohgasleitungen 33 vorgesehen, in die das Abgas 31 aus dem Abgas-Eingangsraum 30 ohne weiteres einströmt und die kein weiteres Gas führen. Parallel zu den Rohgasleitungen 33 erstrecken sich ebenfalls axiale Mischgasleitungen 34, in denen sich wiederum koaxiale Frischluftleitungen 35 befinden. Die Frischluftleitungen 35 sind an die erste Lufteinzugskammer 28 und die Mischgasleitungen 34 sind an den Abgas-Eingangsraum 30 angeschlossen. Es bildet sich somit am Ausgang der Mischgasleitungen 34 ein bei 37 angedeutetes Gasgemisch, das sich alsbald mit dem Abgas 31 aus den Rohgasleitungen 33 vermischt.
An den Lufteinzugsleitungen 17 und 21 sind noch Gebläse 38 angedeutet, die eingesetzt werden können, um eine genügende Menge an Frischluft 20 in den Abgasreaktor 10 zu fördern, sofern dies aus prozeßtechnischen Gründen erforderlich ist.
Die axiale Rohgasleitungen 33 und die ebenfalls axialen Mischgasleitungen 34 laufen in geneigten Strahlleitungen 36 zusammen, die sämtlich gemeinsam in einen zylindrischen Beschickungsraum 40 münden, der an seiner Zylinderfläche noch mit Öffnungen 39 versehen ist.
Der Beschickungsraum 40 ist an seiner Unterseite mit einer durchgehenden Wand 41 verschlossen, bei Varianten der Erfindung kann hier jedoch ein konischer Ansatz 42 vorgesehen sein, der sich nach unten öffnet, wie dies beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 noch geschildert wird.
Der obere offene Rand 43 des Beschickungsraumes 40 öffnet sich zu einer Rückwurfstrecke 44, die nach oben von einem ersten, kegelstumpfförmigen Haubenteil 45 begrenzt wird. Der Boden des Kaubenteiles 45 wird von einer Rückwurfwand 46 gebildet, durch deren zentrische Öffnung 47 eine Zündkerze 48 ragt. Die Zündkerze 48 sitzt in einer an sich bekannten Fassung 49 und ist über eine Leitung 50 mit einer Zündanlage 51 einer Brennkraftmaschine 52 verbunden.
Die Brennkraftmaschine 52 wird von einer Kraftstoffzumessungseinrichtung 53, beispielsweise einem Vergaser, einer Einspritzanlage oder dergleichen, versorgt. Die Kraftstoffzumessungseinrichtung 53 steht in Verbindung mit einem Temperatursensor 54, der sich im Bereich der Rückwurfstrecke 44 befindet.
Das erste, kegelstumpfförmige Haubenteil 45 ist im Bereich seiner Öffnung von einem zweiten, zylinderförmigen Haubenteil 56 umgeben, das das erste kegelstumpfförmige Haubenteil 45 teleskopartig weiterführt und dabei den oberen Teil des Beschickungsraumes 40 umschließt. Das zweite, zylinderförmige Haubenteil 56 ist im Bereich seiner zylindrischen Wandung mit Öffnungen 56a und im Bereich seines das erste, kegelstumpfförmige Haubenteil 45 umgebenden Bodens mit Öffnungen 56b versehen.
Das zweite, zylinderförmige Haubenteil 56 öffnet sich an seiner Unterseite hin zu einer sich verengenden Schubdüse 57, die den gesamten Innenquerschnitt des Gehäuses 13 ausfüllt und damit die obere, zweite Lufteinzugskammer 29 vom mittleren Abgas-Eingangsraum 30 trennt.
Die sich verengende Schubdüse 57 verfügt über einen konischen Abschnitt 58, der im Bereich seiner engen Mündung 63 in eine Zugstrecke 59 übergeht. Die Zugstrecke 59 führt schließlich zum Auspuffkanal 15.
Die Wirkungsweise des Abgasreaktors gemäß Fig. 1 ist wie folgt:
Nach einer Explosion im Brennraum der Brennkraftmaschine 52 bewegt sich der Kolben 11 nach unten und gibt einen Schlitz des Auslaßkanals 12 frei. Die an dem sich öffnenden Schlitz anstehende und unter hohem Druck stehende Abgasmenge löst eine Druckwelle hoher Geschwindigkeit aus, die zunächst den Abgas-Eingangsraum 30 ausfüllt und sich alsdann durch die Strahlrohrgruppe 32 fortsetzt. Aufgrund des Anstellungswinkels der geneigten Strahlleitungen 36 wird die Stoßwelle in der Rückwurfstrecke 44 fokussiert und alsdann an der Rückwurfwand 46 sowie den kegeligen Flächen des ersten, kegelstumpfförmigen Haubenteiles 45 reflektiert. Nach der Reflektion wird die Stoßwelle demzufolge refokussiert und bildet sowohl in der Rückwurfstrecke 44 wie auch in einer Zone 60 innerhalb der Haubenteile 45, 56 Konvergenzzonen, an denen sich infolge der hohen Energiedichte sehr hohe Temperaturen ausbilden.
Da die Stoßwelle, wie bereits erwähnt, eine sehr viel höhere Geschwindigkeit, typischerweise Überschallgeschwindigkeit, aufweist, als die vom Zylinder 11 ausgeschobene Gasmenge, der sog. "Gasquant", eilt sie dem Gasquant voraus. Der nacheilende Gasquant durchsetzt ebenfalls den Abgas-Eingangsraum 30 und dringt in die Rohgasleitungen 33 sowie die Mischgasleitungen 34 ein, dort Frischluft 20 aus den Frischluftleitungen 35 ansaugend und mitnehmend.
Der Abgasreaktor 10 gemäß Fig. 1 ist nun so dimensioniert, daß der Abgasquant die Zone 60 in dem Augenblick erreicht, zu dem sich die vorstehend erläuterten Heißgaszonen infolge der Fokussierung der vorauseilenden Stoßwelle bereits gebildet haben.
Infolge dieses Mechanismus sind nun die gesamte Rückwurfstrecke 44 und Zone 60 zu einem sehr kurzen und vom Takt der Brennkraftmaschine 52 bestimmten Augenblick mit einem reaktionsfähigen und sehr energiereichen Gasgemisch versehen, das nun mittels der Zündkerze 48 zur Nachexplosion gebracht wird. Der Zeitpunkt dieser Explosion ist so abgestimmt, daß im Explosionsaugenblick der Kolben 11 den Auslaßkanal 12 wiederum verschlossen hat, so daß eine Rückwirkung auf die Brennkraftmaschine 52 nicht möglich ist. Die Explosion im Zylinder der Brennkraftmaschine wird in demselben Augenblick ausgelöst, so daß der Auslaßkanal 12 symmetrisch belastet wird.
Über die zweite und dritte Lufteinzugsleitung 21 , 25 ist dabei zusätzliche Frischluft nachgemischt worden, entweder um den Nachexplosionsvorgang zu beschleunigen oder aber um das nachexplodierte und damit ausgebrannte Endgas 62 durch Beimischung von Frischluft abzukühlen. Das Endgas 62 gelangt nun über eine Übergangszone 61 in den Bereich der Schubdüse 57, die als sog. Lorin-Düse wirkt, und das Endgas 62 unter hoher Geschwindigkeit über die Zugstrecke 59 zum Auspuffkanal 15 fördert.
Die vorstehende Schilderung bezieht sich in erster Linie auf den Fall des Kaltstarts der Brennkraftmaschine 52, bei dem das reaktionsfähige Gemisch im Abgasreaktor 10 durch Fremdzündung zur Nachexplosion gebracht werden muß.
Nach einer gewissen Betriebszeit haben noch die Wandungen im Bereich der Rückwurfstrecke 44 und der Zone 60 Kirschrotglut erreicht, so daß die nachfolgenden Zündungen der Nachexplosion als Selbstzündungen wie bei einem Dieselmotor ablaufen. Wie bei diesem ist jedoch der Zeittakt auch der Nachexplosion exakt definiert, und zwar verläuft die Nachexplosion auch im Falle der Selbstzündung exakt synchron zur Zündung der Brennkraftmaschine 52, so daß sich am vorstehend erläuterten Prozeß insoweit nichts ändert.
Der Temperatursensor 54, beispielsweise eine Bimetallfeder; kann vorteilhaft während der Kaltstartphase auf die Kraftstoffzumessungseinrichtung 53 einwirken, um die Abgasreduzierung in dieser Betriebsweise noch weiter zu verbessern.
Wie bereits durch die Regelklappe 26 in der dritten Lufteinzugsleitung 25 angedeutet, können Regelungseinrichtungen für die Menge der zugeführten Frischluft 20 vorgesehen sein, es soll dies jedoch erst weiter unten anhand von Fig. 3 erläutert werden.
Fig. 2 zeigt eine Variante 10a des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1, und zwar in folgender Hinsicht:
Zum einen unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 dadurch, daß in zentrischer Position des Deckels 24 eine Hülse 65 angeordnet ist, die mit seitlichen Öffnungen 66 versehen ist. Im unteren Bereich der Hülse 65 befindet sich ein Kerzenhalter 67, der eine Halterung 68 für die Kerze 48 trägt. Zwischen Halterung 68 und Hülse 65 besteht demnach ein Ringraum 69, durch den nach Passieren der Öffnungen 66 Frischluft 70, 71 in die zweite Lufteinzugskammer 29 einströmen kann. Ein Teil der Frischluft 70 strömt dabei durch die zentrische Öffnung 47 in der Rückwurfwand 46, während ein anderer Teil der Frischluft 71 durch seitliche Öffnungen 55 des ersten Haubenteiles 45 strömt.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird daher die Sekundärluft in noch größerem Maße unmittelbar dem Reaktionsraum um die Kerze 48 herum zugeführt.
Eine weitere Variante beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besteht darin, daß das zweite, zylindrische Haubenteil 56 weiter nach unten fortgesetzt sein kann, wie dies mit 56a angedeutet ist, so daß es dort bis in die Schubdüse 57 hineinreicht.
Eine weitere Variante beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 besteht darin, daß die axialen Frischluftleitungen 35a unmittelbar in die geneigten Strahlleitungen 36 einmünden, so daß sich ein gegenüber Fig. 1 vereinfachter Aufbau ergibt.
Fig. 2a zeigt eine weitere Variante 10b der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1 und 2.
Man erkennt in Fig. 2a, daß sich oberhalb des Deckels 24 eine Haube 80 befindet, an die seitliche die zweite Lufteinzugsleitung 21a angeschlossen ist. Es bildet sich hierdurch eine dritte, äußere Lufteinzugskammer 81, die über Rohrstücke 82, 83 im Deckel 24 mit der ersten Lufteinzugskammer 29 in Verbindung steht. Die Rohrstücke 82 kleineren Durchmessers sind dabei über einen Umfang verteilt angeordnet, während das größere Rohrstück 83 zentral angeordnet ist und über einen Ringraum 65a den Kerzenhalter 67a umgibt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner in die Rückwurfwand 46 ein flaches, jedoch weites Rohrstück 84 eingesetzt, das die Zündelektrode der Zündkerze 48 umschließt. Vom Rohrstück 84 weg erstreckt sich eine Gegenelektrode 85, die vorzugsweise mit Masse verbunden ist.
Die Zündkerze 48 gemäß Fig. 2a kann beispielsweise in Reihe mit einer in Fig. 2a nicht dargestellten Zündkerze der Brennkraftmaschine liegen, so daß schon von daher ein synchrones Zünden der Nachexplosion mit der nächsten Explosion im Brennraum der Brennkraftmaschine gewährleistet ist.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgasreaktors, der insgesamt mit 90 bezeichnet ist.
In der linken unteren Hälfte von Fig. 3 erkennt man einen Kolben eines Viertakt-Ottomotors, und das Auslaßventil ist mit 92 angedeutet. Der als Krümmer ausgebildete Auslaßkanal 93 geht über einen Flansch 94 in ein doppelwandiges Gehäuse 95 des Abgasreaktors 90 über.
An den Boden des Gehäuses 95 ist ein Auspuffkanal 96 angeschlossen. Im oberen Bereich des Gehäuses 95 befindet sich ein Deckel 97 und unterhalb des Deckels 97 ist eine erste Lufteinzugsleitung 98 zu erkennen, die eine Regelklappe 99 mit einer Achse 100 enthält. Die Achse 100 steht über ein Gestänge 101 mit einer Servoeinheit 102 in Verbindung. Die Servoeinheit 102 wird wiederum von einer Lambda-Regelung 103 der Brennkraftmaschine 52 betätigt, mit der sie über eine Leitung 104 in Verbindung steht.
Aufgrund des vorgeschriebenen Mechanismus gelangt eine bei 105 angedeutete erste Frischluft in geregelt dosierter Weise durch die erste Lufteinzugseinleitung 98.
Im linken und rechten oberen Bereich des Gehäuses 95 erkennt man Öffnungen 106, durch die eine mit 107 angedeutete zweite Frischluft in das Gehäuse 95 gelangen kann. Es versteht sich dabei, daß auch im Bereich der Öffnungen 106 eine Leitung mit Regelklappe angeordnet sein kann.
Das aus dem Auslaßkanal 93 kommende Abgas gelangt zunächst in einen Abgas-Eingangsraum 110, an den eine Strahlrohrgruppe 111 mit geneigten Mischgasleitungen 112 angeschlossen ist. In den Mischgasleitungen 112 befinden sich konzentrische Frischluftleitungen 113, über die Frischluft 114 aus einem Ringraum 115 gelangt, wobei der Ringraum 115 mit den Öffnungen 106 in Verbindung steht und außen an das Gehäuse 95 angrenzt.
Die geneigten Mischgasleitungen 112 sind fokussierend in einen Beschickungsraum 116 gerichtet, der an seiner Unterseite mit einer Wand 117 abgeschlossen ist. In der Wand 117 befindet sich zentrisch ein konischer Ansatz 118, der den Beschickungsraum 116 nach unten öffnet.
Im oberen, zylindrischen Bereich des Beschickungsraumes 116 befinden sich Öffnungen 119.
Oberhalb der freien Öffnung des Beschickungsraumes 116 erstreckt sich ein erstes Haubenteil 120, das eine gewölbte Rückwurfwand 121 sowie ein daran anschließendes zylindriscches Haubenteil 122 aufweist. Die gewölbte Rückwurfwand 121 ist mit Öffnungen 123 versehen.
Im Zentrum der gewölbten Rückwurfwand 121 ist an diese ein Rohrstück 124 angesetzt, das über einen Ringraum 125 eine Wand 126 einschließt, an der eine Zündkerze 127 angeordnet ist.
Oberhalb des ersten Haubenteiles 120 und dieses konzentrisch umgebend befindet sich ein zweites Haubenteil 128 von ähnlicher Gestalt, das eine Rückwurfkammer 129 einschließt. Durch die Haubenteile 120, 128 hindurch erstreckt sich ein Schaurohr 130, durch das hindurch, beispielsweise mittels einer Glasfaseroptik, die Reaktionsvorgänge im Abgasreaktor 90 zu Einstellzwecken beobachtet werden können.
Das zweite Haubenteil 128 verfügt ebenfalls über eine gewölbte Haube 131. Die Haube 131 begrenzt eine Lufteinzugskammer 132 nach unten und der Deckel 97 begrenzt sie nach oben.
Der Bereich innerhalb des zylindrischen Haubenteiles 122 bildet im wesentlichen die Zone 133 der Nachexplosion. Dieser Bereich öffnet sich hin zu einer nach unten gerichteten und sich dort verengenden Schubdüse 135, die wiederum in eine Zugstrecke 136 übergeht. Die Schubdüse 135 schließt nach außen mit einer Wand 137 ab, die den Ringraum 115 nach innen begrenzt. Der Ringraum 115 geht unten in einen Bodenraum 138 über, von dem eine Kühlluftabsauge-Leitung 139 zu einem Austritt 140 führt, an dem eine bei 141 angedeutete Frischluft in den Auspuffkanal 96 gelangt.
Mit 142 ist ein Wärmetauscher angedeutet, der Teil eines Kühlsystems 143 ist und die Leitung 139 umgibt, so daß an dieser Stelle der Frischluft 141 weiter Wärme entzogen werden kann.
Die Wirkungsweise des Abgasreaktors 90 gemäß Fig. 3 ist wie folgt:
Die Beschickung des Gasgemisches in den Beschickungsraum 116 und die Nachexplosion in der Zone 133 erfolgt im wesentlichen, wie bereits zu Fig. 1 beschrieben.
Allerdings besteht beim Abgasreaktor 90 gemäß Fig. 3 insoweit eine Abweichung gegenüber dem Abgasreaktor 10 gemäß Fig. 1, als die dort vorgesehene erste Lufteinzugskammer 28 entfällt und durch den Ringraum 115 ersetzt wurde. Dieser Ringraum 115 ummantelt die Nachexplosionsstrecke und führt dort Wärme ab. Soweit die Frischluft 114 aus dem Ringraum 115 nicht zur Primärluft-Beimischung über die Frischluftleitungen 113 dient, wird sie in Richtung der Kühlluftabsauge-Leitung 139 in den Auspuffkanal 96 abgesaugt, so daß erheblich mehr Frischluft 114 als Kühlluft wirkt, wie sie an sich zur Primärluft-Beimischung benötigt würde. Der verbleibende Anteil Luft gelangt ggf. nach weiterem Wärmeentzug über die Elemente 142, 143 in den Auspuffkanal, so daß insgesamt eine beträchtliche Strecke mit Kühlwirkung existiert, so daß ein Temperaturbereich dort eingestellt werden kann, bei dem in der weiter oben geschilderten Weise die Reduzierung der Stickoxidanteile gelingt.
Über die erste Lufteinzugsleitung 98, dosiert durch die Regelklappe 99, erfolgt beim Abgasreaktor 90 gemäß Fig. 3 eine Sekundärluft-Nachmischung, die mit dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 52 progressiv reduzierend ab Teillast bis Vollast gekoppelt wird. Auf diese Weise wird es in genauer Abstimmung, insbesondere mit der Lambda-Regelung 103, möglich, die Beschickung der Nachexplosionsstrecke an der Sauerstoff-Mangel-Grenze einzurichten. Im Unterschied zur Verwendung einer Lambda-Sonde vor Katalysatoren, die ihre Regelgröße an das Luftbeladungssystem der Brennkraftmaschine weitergibt und hierdurch Motorleistung blockieren kann, beeinträchtigt die Anordnung gemäß Fig. 3 der vorliegenden Erfindung die Motorleistung nicht. Sie hat den Vorzug, sowohl der Stickoxid-Bildung in der Nachexplosionsstrecke entgegenzuwirken und auch ab der Schubdüse 135 in der Zugstrecke 136 eine sauerstoffarme, längere Verweilzeitstrecke zu realisieren, wodurch der Stickoxidausstoß weiterhin radikal reduziert wird. Die optimale Position der Lambda-Sonde liegt dabei im Eingangsbereich der Zugstrecke 136, zumal dort auch für übliche Lambda-Sonden verträgliche Temperaturen herrschen.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgasreaktors 149.
Dieses Ausführungsbeispiel ähnelt wiederum demjenigen von Fig. 1, jedoch mit einer Abweichung in Bereichen stromabwärts der Schubdüse 57a.
Dort geht die Schubdüse 57a in eine axiale Zugstrecke 150 über, die an ihrem Ende in einen Resonanzraum 151 mündet. Dessen, der Zugstrecke 150 gegenüberliegende Fläche 152 wirkt als Rückwurfwand. Im Umfangsbereich ist der näherungsweise zylindrische Resonanzraum 151 an eine Folgeleitung 153 angeschlossen, die zum Auspuffkanal führt.
Die Besonderheit des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 4 ist die, daß der Abgasreaktor 149 über zwei Nachexplosionsräume verfügt.
Im oberen Teil von Fig. 4 sind hierzu die bereits zu Fig. 1 ausführlich erläuterten Elemente vorgesehen, die bei kleinen und mittleren Drehzahlen der Brennkraftmaschine in der beschriebenen Weise arbeiten.
Darüber hinaus kann es jedoch bei extrem hohen Drehzahlen vorteilhaft sein, stromabwärts einen weiteren Brennraum vorzusehen, was in Fig. 4 durch den Resonanzraum 151 bewerkstelligt wird.
Die Stoßwelle wird an den Schrägflächen 58a der Schubdüse 57a reflektiert und in eine Brennstrecke fokussiert, die sich bis in den Resonanzraum 151 erstreckt. Nach Reflektion an der Fläche 152 bilden sich Konvergenzbereiche und damit Heißzonen im Bereich des Resonanzraumes 151, und der bei extrem hohen Drehzahlen sehr viel schneller nachfolgende Abgasquant gelangt in diese Zonen und entzündet sich dort von selbst, weil bei extrem hohen Drehzahlen bereits die erforderliche Kirschrotglut der Wandungen besteht.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zeigt einen Abgasreaktor 159 in streng axialer Bauweise.
Von einem Kolben 160 in einem Zylinder 161 führt ein Auslaßkanal 162 zu einer Strahlrohrgruppe 163, deren geneigte Rohgasleitungen 164 divergierend verlaufen. Die Rohgasleitungen 164 erstrecken sich an der Außenseite eines kegeligen Rückwurfelementes 166, dessen Spitze als Schrägwand 165 in den Einlaß der Strahlrohrgruppe 163 hineinragt. Das Rückwurfelement 166 ist innen hohl und bildet dort schräge Rückwurfwände 167.
Die Rohgasleitungen 164 gehen in düsenförmige Austrittsöffnungen 168 über.
Über eine im Deckelbereich des Abgasreaktors 159 angeordnete Lufteinzugsleitung 146 gelangt Frischluft in eine Lufteinzugskammer 157, die an ihrer Unterseite eine ringraumförmige Luftleitung 158 bildet und die düsenförmigen Austrittsöffnungen 168 umgibt.
Das sich im Bereich der düsenförmigen Austrittsöffnungen 168 demzufolge bildende Gasgemisch gelangt auf eine sich verengende Schubdüse 169, die demzufolge gegensinnig zur Öffnung 170 des Rückwurfelementes 166 angeordnet ist. Die schrägen Wände 171 der Schubdüse 169 verlaufen demzufolge entgegengesetzt geneigt zu den schrägen Innenwänden 167.
An die Schubdüse 169 schließt sich an der Unterseite ein Hohlleiter 172 an, der axial rohrförmig verläuft und an seinem Ende einen Welle-Gas-Separator 173 aufweist. Unter "Hohlleiter" soll dabei eine von Einbauten im wesentlichen freie hohle Leitung verstanden werden, z.B. eine Rohrleitung oder ein anderer geeigneter Hohlraum, die es gestattet, einfallende und reflektierte Stoßwellen zu leiten. Unter "Welle-Gas-Separator" soll ein Element verstanden werden, bei dem an einem Ende einer Leitung ein Gasdurchlaß für eine Weiterleitung des Gases vorgesehen ist, andererseits aber auch ein Reflektionselement für den Rückwurf der einfallenden Stoßwelle sorgt.
Der Welle-Gas-Separator 173 ist als in das Ende des Hohlleiters 172 ragender Stumpf einer Zugstrecke 175 ausgebildet. Der Stumpf wird von einer Rückwurfwand 174 abgeschlossen und unterhalb der Rückwurfwand 174 befinden sich seitliche Öffnungen 176 in der Zugstrecke 175.
Schließlich ist im Übergangsbereich zwischen Schubdüse 169 und Hohlleiter 172 noch eine Zündkerze 177 vorgesehen.
Die Wirkungsweise des Abgasreaktors 159 gemäß Fig. 5 ist wie folgt:
Das über den Auslaßkanal 162 einströmende Abgas gelangt zunächst auf die Schrägwand 165 und wird dort zirkular verwirbelt und gleichmäßig in die geneigten Rohrgasleitungen 164 geleitet. Der so divergierte Abgasstrom vermischt sich im Bereich der düsenförmigen Austrittsöffnungen 168 mit der über die Luftleitung 158 zugeführten Frischluft und trifft auf die schrägen Wände 171 der Schubdüse 169. An den schrägen Wänden 171 wird die dem Abgasquant vorauseilende Stoßwelle schräg nach unten in Fig. 5 reflektiert, wodurch sich im Bereich des Hohlleiters 172 eine axial verlaufende Brennstrecke bildet. Nach Auftreffen auf die Rückwurfwand 174 wird die Stoßwelle dort reflektiert und gelangt, ggf. nach erneuter Reflektion an den schrägen Rückwurfwänden 167 des Rückwurfelementes 166 wieder in den Bereich der Schubdüse 169, wo mittlerweile der Abgasquant angelangt ist und sich die Nachexplosion in der bereits geschilderten Form vollzieht.
Das Besondere am Abgasreaktor 159 gemäß Fig. 5 ist neben der rein axialen Bauweise zum einen die Stoßwellen/Gasführung mit zunächst erfolgendem Divergieren und anschließendem Konvergieren beider Phänomene, zum anderen ist das Besondere aber auch die vollkommene energetische Ausnutzung der Stoßwelle, die durch den Welle-Gas-Separator 173 im wesentlichen oberhalb dieses Elementes gehalten wird, während der Abgasquant über die Öffnungen 176 den Abgasreaktor 159 ohne weiteres verlassen kann.
Der Hohlleiter 172, der am einen Ende von der Schubdüse 169 sowie den schrägen Rückwurfwänden 167 und am anderen Ende von der Rückwurfwand 174 abgeschlossen ist, wirkt als Stoßrohr im Sinne der Stoßwellentechnik. In diesem Stoßrohr läuft die Stoßwelle ein- oder mehrfach hin und her und überläuft damit mit ihrer Stoßfront den später eintretenden Gasquant.
Wie bereits erwähnt, wird die von den schrägen Rückwurfwänden 167 reflektierte Stoßwelle an den schrägen Wänden 171 schräg nach unten in den Hohlleiter 172 reflektiert, so daß sich eine langgestreckte Brennstrecke ergibt. Diese, im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als "Verweilstrecke" bezeichnete Strecke ist insbesondere bei stark variierenden Drehzahlen vorteilhaft, weil sich bei Drehzahländerungen naturgemäß auch der Zeitablauf der Phänomene ändert.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist ein Abgasreaktor 179 gezeigt, der über mehrere, seitlich ankommende Auslaßkanäl 180, 181 einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine verfügt.
Die Auslaßkanäle 180, 181 münden auf eine umlaufende Schrägwand 182 eines Abgas-Eingangsraumes 183, von der aus geneigte Mischgasleitungen einer Strahlrohrgruppe 184 ausgehen, die bei diesem Ausführungsbeispiel konvergierend angeordnet sind. Die Mischgasleitungen 185 münden in einen zylindrischen Mischraum 186, der über eine Vielzahl von Öffnungen 189 mit einer ersten Lufteinzugskammer 188 verbunden ist, die wiederum an eine erste Lufteinzugsleitung 187 angeschlossen ist.
Im axialen Zentrum der Strahlrohrgruppe 184 befindet sich noch eine Frischluftleitung 191, die mit einer zweiten Lufteinzugskammer 199 über Öffnungen 193 verbunden ist. Der zweiten Lufteinzugskammer 192 wird Frischluft über eine zweit Lufteinzugsleitung 194 zugeführt. Es befindet sich ferner in der zweiten Lufteinzugskammer 192 noch ein Schaurohr 195, über das wiederum der Nachreaktionsvorgang beobachtet werden kann.
An den Mischraum 186 schließt sich stromabwärts eine Zugstrecke 196 an, die als gekrümmtes Rohr ausgebildet ist. Flächen 197, 198 der Zugstrecke 196 sind mit einer besonderen Krümmung versehen, die eine Fokussierung der aus dem Mischraum 186 einfallenden Stoßwelle erlauben.
An geeigneter Stelle der Zugstrecke 196 ist eine Zündkerze 200 vorgesehen. An die Zugstrecke 196 schließt sich eine Schubdüse 199 an.
Die Wirkungsweise des Abgasreaktors 179 gemäß Fig. 6 ist wie folgt:
Die über die Auslaßkanäle 180 oder 181 eintreffende Stoßwelle wird über die geneigten Mischgasleitungen 185 zunächst konvergiert und anschließend in der Zugstrecke 196 an den geeignet gekrümmten Flächen 197, 198 mehrfach reflektiert und dabei abwechselnd konvergiert und divergiert, so daß sich im Bereich der Zugstrecke 196 die bereits erwähnten Heißzonen bilden, in denen der nachfolgende Abgasquant mittels der Zündkerze 200 zur Nachexplosion gebracht wird.
Über die zentrale Frischluftleitung 191 kann dabei zum einen das Gasgemisch in seinem Mischungsverhältnis, zum anderen aber auch in seiner Temperatur in gewünschter Weise eingestellt werden.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 zeigt einen Abgasreaktor 210 mit einer Außenwand 211, an die, diese durchdringend, ein Auslaßkanal 212 einer Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Der Auslaßkanal 212 mündet in einen Abgas-Eingangsraum 213, von dem eine Strahlrohrgruppe 214 mit Rohgasleitungen 215 und Mischgasleitungen 216 ausgeht.
Im Gegensatz zu den seither beschriebenen Ausführungsbeispielen mit konvergierenden Rohrleitungen (Fig. 1, 2, 3, 4, 6) und divergierenden Leitungen (Fig. 5) verlaufen beim Abgasreaktor 210 gemäß Fig. 7 die Rohgasleitungen 215 und die Mischgasleitungen 216 ebenso wie Frischluftzuleitungen 217 zueinander parallel und in axialer Richtung.
Die Frischluftzuleitungen 217 sind an eine Lufteinzugskammer 218 angeschlossen, die über eine erste Lufteinzugsleitung 219 mit Regelklappe 220 an die Außenatmosphäre angeschlossen ist.
Innerhalb der Außenwand 211 befindet sich ein Ringraum 221, der nach innen von einer zur Außenwand 211 konzentrischen Wand 222 abgeschlossen ist.
Der Abgas-Eingangsraum 213 wird nach unten durch eine kegelförmige Wand 225 abgeschlossen, die ohne Unterbrechung bis zur Wand 222 läuft und dann, mit Öffnungen 226 versehen, bis zur Außenwand 211 reicht. Die kegelförmige Wand 225 schließt damit eine Übergangszone 224 ein. An die sich nach unten erweiternde kegelförmige Wand 225 schließt sich eine sich nach unten verjüngende kegelförmige Wand 228 an, die eine Zone 223 einschließt. Die Zone 223 geht unten in eine Zugstrecke 235 über, wobei sich im Übergang eine Zündkerze 236 befindet. Der Übergang wird von einem Hohlleiter 238 gebildet, der am auspuffseitigen Ende von einem Welle-Gas-Separator 237 abgeschlossen ist.
Durch die Strahlrohrgruppe 214 hindurch erstreckt sich eine zweite Lufteinzugsleitung 230, die mit einer Regelklappe 231 versehen ist und unten unterhalb des Endes der Leitungen der Strahlrohrgruppe 214 in eine sich nach unten erweiternde kegelförmige Mündung 232 mit Öffnungen 233 ausläuft. Die Mündung 232 befindet sich im Bereich der Übergangszone 224.
Die Wirkungsweise des Abgasreaktors 210 gemäß Fig 7 ist ähnlich wie die des Abgasreaktors 79 gemäß Fig. 6, insoweit dort ebenfalls eine Sekundärluft-Nachmischung über eine zentrale Rohrleitung (Frischluftleitung 234) in den Austrittsbereich der Strahlrohrgruppe 214 erfolgt.
Die Führung von Stoßwelle und Abgasquant weicht hingegen beim Abgasreaktor 210 insoweit ab, als nach einem Divergieren von Stoßwelle und Abgasquant im Abgas-Eingangsraum 213 beide Phänomene zunächst achsparallel in der Strahlrohrgruppe 214 geführt und erst im Bereich der Übergangszone 224 sowie der Zone 223 konvergiert werden.
So kann beispielsweise, wie dies bereits sinngemäß zu Fig. 5 erläutert wurde, die Stoßwelle an den flachen kegelförmigen Wänden 228 der Schubdüse 227 nach unten reflektiert werden, so daß sich im Eingangsbereich der Zugstrecke 235 eine lange Brennstrecke bildet. In diesem Bereich befindet sich dann konsequenterweise auch die Zündkerze 236.
Der im Übergangsbereich von der Zone 223 zur Zugstrecke 235 vorgesehene Hohlleiter 238 wirkt wiederum als Stoßrohr, wobei die an den Enden wirkenden Rückwurfwände zum einen die kegelförmige Wand 225 und zum anderen die Rückwurfwände des Welle-Gas-Separators 237 sind.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abgasreaktors 240, ebenfalls mit mehreren Auslaßkanälen 241, 242 einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, wie dies bereits zu Fig. 6 erläutert wurde.
Die Auslaßkanäle 241, 242 weisen auf eine Schrägwand 243 eines Abgas-Eingangsraumes 244 und lenken sowohl die Stoßwelle wie auch den nachfolgenden Abgasquant verlustarm nach unten in achsparallel verlaufende Mischgasleitungen 245 um. Koaxial zu den Mischgasleitungen 245 und ebenfalls achsparallel verlaufen Frischluftleitungen 246, die am oberen Ende mit Öffnungen 247 versehen sind, über die sie mit einer Lufteinzugskammer 248 in Verbindung stehen. Die oberhalb der Schrägwand 243 liegende Lufteinzugskammer 248 ist mit einer Lufteinzugsleitung 249, die senkrecht zur Zeichenebene gemäß Fig. 8 verläuft, mit der Außenatmosphäre verbunden.
Unterhalb der Mischgasleitung 245 erstreckt sich eine Zone 250, die in eine sich verengende Schubdüse 251 mit kegelförmigen schrägen Wänden 252 übergeht.
Konzentrisch zur aus den Mischgasleitungen 245 und den Frischluftleitungen 246 gebildeten Strahlrohrgruppe 260 verläuft ein Hohlleiter 253, der aus dem Gehäuse des Abgasreaktors 240 mit einer keramischen Isolierung 254 austritt. Der Hohlleiter 253 geht an seinem unteren Ende in eine sich nach unten öffnende weitere Schubdüse 255 über, die sich im Bereich der Zone 250 befindet. An seinem auspuffseitigen Ende ist der Hohlleiter 253 mit einem Welle-Gas-Separator 261 versehen.
Die Öffnung 256 der weiteren Schubdüse 255 liegt dem sich verjüngenden Ende der Schubdüse 251 gegenüber, das über ein in Fig. 8 nur abgebrochen dargestelltes Leitungsstück zu einem weiteren Hohlleiter 257 führt, der die Rückwurfwand 258 aufweist und eine Zündkerze 259 hält.
Die Wirkungsweise des Abgasreaktors 240 gemäß Fig. 8 ist wie folgt:
Die Zuführung und Mischung von Abgas und Frischluft im Bereich der Strahlrohrgruppe 260 erfolgt in der üblichen Weise, wie für die ebenfalls achsparallele Strahlrohrgruppe 214 gemäß Fig. 7 bereits beschrieben.
Nach dem Austritt aus den Mischgasleitungen 245 wird die Stoßwelle an den nach unten schräge verlaufenden kegelförmigen Wänden 252 der Schubdüse 251 reflektiert und in den Bereich des weiteren Hohlleiters 257 entlang einer Brennlinie fokussiert. Nach Reflektion an der Rückwurfwand 258, Vermischung mit dem nachfolgenden Abgasquant in den Heißzonen und Zündung über die Zündkerze 259 strömt nun jedoch das ausgebrannte Endgas in die Öffnung 256 der weiteren Schubdüse 255 und von dort in den Hohlleiter 253 ausgebildete und zwar in Gegenstromrichtung, bezogen auf die Stromrichtung der Strahlrohrgruppe 260.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird demnach eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung als "doppeltes Stoßrohr" bezeichnete Anordnung mit zwei Hohlleiterabschnitten, nämlich dem oberen Rohrleiter 253 und den unteren, weiteren Hohlleitern 257 verwendet. Die Zuführung des Gasgemisches erfolgt im Übergangsbereich zwischen den beiden Hohlleitern 253, 257 und zwar schräg nach unten, in den weiteren Hohlleiter 257 gerichtet. Die Stoßwelle läuft nun durch das doppelte Stoßrohr unter ein- oder mehrfacher Reflektion an den Rückwurfwänden 258 sowie denjenigen des Welle-Gas-Separators 261.
Fig. 9 zeigt einen Abgasreaktor 270 mit seitlich angesetztem Kolben 271 in einem Zylinder 272, der über einen Auslaßkanal 273 an einen Abgas-Eingangsraum 274 angeschlossen ist. Eine Strahlrohrgruppe 275 erstreckt sich wiederum achsparallel in Rohgasleitungen 276 und dazu konzentrischen Mischgasleitungen 277. Eine senkrecht zur Zeichenebene gemäß Fig. 9 verlaufende Lufteinzugsleitung 278 mündet in eine erste Lufteinzugskammer 279, die über eine zweite Kammer 280 mit den Mischgasleitungen 277 in Verbindung steht.
In der Achse der Strahlrohrgruppe 275 befindet sich ein zylinderbüchsenförmiges Rückwurfelement in Gestalt eines Hohlleiters 281 mit einem zylindrischen Bereich 282 und einer nach unten weisenden kegelförmigen Ausmündung 283, sowie einer radialen Rückwurfwand 294.
Das Rückwurfelement 281 öffnet sich zu einer sich nach unten verjüngenden Schubdüse 284 hin, die über schräg nach unten abfallende kegelförmige Wände 285 verfügt. Unten an die Wände 285 der Schubdüse 284 ist ein langgestreckter Hohlleiter 286 angeschlossen, wobei sich im Übergangsbereich eine Zündkerze 287 befindet.
Am unteren Boden des Hohlleiters 286 befindet sich wiederum ein Welle-Gas-Separator 288 mit labyrinthartig untereinander angeordneten Rückwurfwänden 289 und dazwischen und seitlich angeordneten Öffnungen 290.
Die seitlich nach außen führenden Öffnungen 290 führen zu einem Ringraum 291, der die Zugstrecke 286 umgibt. In der Höhe der Schubdüse 284 geht seitlich vom Ringraum 291 eine Folgeleitung 292 ab, die an der Strahlrohrgruppe 275 und dem Auslaßkanal 273 vorbeiführt, dann wieder in das Gehäuse des Abgasreaktors 270 einmündet und durch die Lufteinzugskammer 279, 280 hindurch in einen Auspuffkanal 293 mündet.
Die Führung der Stoßwelle und des Abgasquants erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel zunächst ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 (achsparallele Strahlrohrgruppe) sowie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 (doppeltes Stoßrohr mit Welle-Gas-Separator am Ende des auspuffseitigen Hohlleiters).
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Abgasreaktor 270 nach dem Prinzip des doppelten Stoßrohrs, das aus den beiden Hohlleitern 281 und 286 mit ebenfalls schräger seitlicher Mischgaszuführung im Übergangsbereich besteht.
Das Besondere beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 ist neben der speziellen Ausbildung des Welle-Gas-Separators 288 das Gegenstromprinzip, wonach das ausgebrannte Endgas im
Ringraum 291 entgegen der Strömung in der Zugstrecke 286 wiederum nach oben strömt und dann nach Passieren der Folgeleitung 292 in wärmetauschendem Kontakt durch die Lufteinzugskammer 279, 280 geführt wird.
Hierdurch stellt sich ebenso wie beim vorher geschilderten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 eine größere Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung innerhalb des Abgasreaktors 240 bzw. 270 ein, in dem einerseits die Temperatur der in den Auspuffkanal gelangenden ausgebrannten Endgase vermindert, gleichzeitig aber auch die Temperatur der zuströmenden Frischluft erhöht wird. Die entstehende Wärme wird somit besser gespeichert.
Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Abgasreaktor 300, bei dem die Stoßwelle und das Abgas durch einen seitlich angesetzten Auslaßkanal 301 in einen Abgas-Eingangsraum 302 geführt wird, der nach oben durch eine Schrägwand 303 begrenzt ist.
Beim Ausführungsbeispiel geäß Fig. 10 ist lediglich ein einziger Auslaßkanal 301 vorgesehen, so daß sich eine gleichmäßige Verteilung innerhalb des Abgas-Eingangsraumes 302 infolge der Querschnittsverengung durch die Schrägwand 303 ergibt. Das einströmende Abgas wird nämlich nach Verlassen des Auslaßkanals 301 gleichmäßig auf die Strahlrohrgruppe 304, und zwar dort auf nach unten weisende Mischgasleitungen 305 verteilt, wobei in den in Fig. 10 linken Bereich des Abgas-Eingangsraumes 302 nur noch verhältnismäßig wenig Abgase gelangen.
Die achsparallel verlaufenden Mischgasleitungen 305 werden teilweise von konzentrisch verlaufenden Frischluftleitungen 306 durchsetzt, die an ihrem oberen Ende mit einer zum Abgas-Eingangsraum 302 klappsymmetrischen Lufteinzugskammer 307 verbunden sind. Die Lufteinzugskammer 307 steht über eine Lufteinzugsleitung 308 mit Regelklappe 309 mit der Außenatmosphäre in Verbindung.
Die Mischgasleitungen 305 münden nach unten in eine sich nach unten verjüngende Schubdüse 310 mit kegelförmigen Wänden 311. Entgegengesetzt zur Schubdüse 310 ist eine weitere Schubdüse 312 mit Öffnung 313 angeordnet, die sich nach oben in einen Hohlleiter 314 fortsetzt, der mit einer radialen Rückwurfwand 315 versehen ist.
Die Schubdüse 310 geht nach unten in einen zylinderförmigen Boden 316 mit Zündkerze 317 über, der eine Rückwurfwand 318 bildet.
Am oberen Ende ist der Hohlleiter 314 mit seitlichen Öffnungen 319 versehen, die zu einem Raum 320 führen, der seinerseits mit einem Auspuffkanal 321 verbunden ist.
Schließlich ist am oberen axialen Ende der Zugstrecke 314 wiederum ein Schaurohr 322 vorgesehen.
Die Funktionsweise des Abgasreaktors 300 gemäß Fig. 10 entspricht weitgehend derjenigen des Abgasreaktors 240 gemäß Fig. 9 mit der Abweichung, daß beim Abgasreaktor 300 gemäß Fig. 10 nur ein einziger Auslaßkanal 301 vorgesehen ist und der Abgas-Eingangsraum 302 sowie die Lufteinzugskammer 307 die bereits geschilderte besondere Querschnittsform aufweisen.
Außerdem wird beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 das ausgebrannte Endgas am Ende des Hohlleiters 314 nochmals seitlich umgelenkt und erst dann in den Auspuffkanal 321 eingeleitet.
Die Öffnungen 319 sind als Feinlochblech ausgebildet und so dimensioniert, daß sie Rußpartikel im Abgas eines Dieselmotors zurückhalten können, wie sie insbesondere beim Kaltstart des Dieselmotors auftreten. Da sich das Feinlochblech mit den Öffnungen 319 am Ende des einseitig eingespannten Hohlleiters 314 befindet, vibriert es verhältnismäßig stark, so daß ein Verstopfen der Öffnungen 319 nicht zu befürchten ist.
Die sich an der Innenseite der Öffnungen 319 ansammelnden Rußpartikel werden während der Kaltstartphase des Dieselmotors dort gesammelt und, sobald sich der Hohlleiter 314 auf Betriebstemperatur erwärmt hat, abgebrannt.
Schließlich ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 mit der Regelklappe 309 nochmals angedeutet, daß selbstverständlich auch bei diesen Ausführungsbeispielen eine geregelte Zufuhr der Frischluft vorgesehen sein kann, wie dies weiter oben ausführlich zu Fig. 3 erläutert wurde.
Fig. 10a zeigt eine Variante 300a des Abgasreaktors 300 gemäß Fig. 10. Der Abgasreaktor 300a unterscheidet sich dabei in zwei Beziehungen:
Die Schubdüse 310a ist nicht mit einem Isoliermaterial sondern vielmehr mit einer weiteren Lufteinzugskammer 323 umgeben, die über eine Lufteinzugsleitung 324 mit der Außenatmosphäre in Verbindung steht. Von der Lufteinzugskammer 232 führen mehrere schräg angestellte Frischluftleitungen 325 nach Art einer weiteren Strahlrohrgruppe in die weitere Schubdüse 312a des Hohlleiters 314a.
Auf diese Weise wird zweierlei erreicht. Zum einen wird mittels der Lufteinzugskammer 323 der Reaktionsraum des Abgasreaktors 300a gekühlt, was insbesondere bei sehr warm laufenden Viertakt-Ottomotoren von Vorteil sein kann. Zum anderen kann über die Frischluftleitungen 325 eine Sekundärluft-Nachmischung realisiert werden, insbesondere dann, wenn sich in der Lufteinzugsleitung 324 eine Regelklappe befindet, wie dies im einzelnen bereits zu Fig. 3 erläutert worden ist.
Ein weiterer Unterschied besteht beim Abgasreaktor 300a insofern, als der Hohlleiter 314a oben in eine Öffnung 326 ausläuft und dort einer Rückwurfwand 327 des Reaktorgehäuses gegenübersteht.
Auf diese Weise kann sich bei geeigneter Dimensionierung eine Reflektion der Stoßwelle an der Rückwurfwand 327 ergeben.
Fig. 11 zeigt noch ein weiteres, besonders einfaches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasreaktors 330 in rein axialer Bauweise, wie man sie besonders gut für Motorräder, Rasenmäher und dergleichen, vorzugsweise also für Einzylinder-Brennkraftmaschinen, verwenden kann.
Am oberen Ende in der Darstellung von Fig. 11 mündet in den Abgasreaktor 330 ein Auslaßkanal 331, der unter Querschnittserweiterung gesamtflächig in eine Strahlrohrgruppe 332 übergeht, und zwar in Eingangsöffnungen von Rohgasleitungen 333, die beispielsweise zu sechst oder acht über den Umfang verteilt angeordnet sein können.
Die Rohgasleitungen 333 verlaufen divergierend und münden koaxial in Mischgasleitungen 334, denen von ihrem oberen Ende aus einer Lufteinzugskammer 335 Frischluft zugeführt wird. Die Lufteinzugskammer 335 ist an ihrem unteren Ende mit einer senkrecht zur Zeichenebene gemäß Fig. 1 verlaufenden Lufteinzugsleitungen 336 mit der Außenatmosphäre verbunden.
An ihrem unteren Ende münden die divergierenden Mischgasleitungen 334 unmittelbar in einer sich nach unten verjüngenden Schubdüse 337 mit kegelförmigen Wänden 338, wobei im Austrittsbereich der divergierenden Mischgasleitungen 334 zentral ein gewölbtes Rückwurfelement 339 angeordnet ist.
An die Schubdüse 337 schließt sich nach unten eine Folgeleitung 340 an, die zu einem Auspuffkanal führt.
Die Wirkungsweise des Abgasreaktors 330 gemäß Fig. 11 bedarf an sich keiner weiteren Erläuterung, weil das Prinzip der divergierenden Rohrleitungen in der Strahlrohrgruppe mit sich unmittelbar anschließender und stromabwärts verjüngender Schubdüse, die in den Auspuffkanal führt, bereits anhand des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 5 erläutert wurde.
Schließlich zeigt Fig. 12 noch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Abgasreaktors 350 mit radial angesetztem Auslaßkanal 351. Die Strahlrohrgruppe 355 ähnelt derjenigen gemäß den Fig. 10 und 10a.
Kegelförmige Wände 353 einer Schubdüse 354, die dem Ausgang der Strahlrohrgruppe 352 gegenüberliegt, begrenzen einen zweiten Abgas-Eingangsraum 355, der mit einem zweiten Auslaßkanal 356 eines weiteren Zylinders der Bennkraftmaschine verbunden ist.
Von dem zweiten Abgas-Eingangsraum 355 führen zunächst axial und dann schräg verlaufende Mischgasleitungen 357 nach Art einer weiteren Strahlrohrgruppe in einen oberen Hohlleiter 362.
Mischgasleitungen 358, die koaxial in den axialen Abschnitten der Mischgasleitungen 357 verlaufen, stehen mit einer Lufteinzugskammer 359 in Verbindung, die über eine Lufteinzugsleiter 360 mit der Außenatmosphäre in Verbindung steht.
Die Schubdüse 354 geht an ihrer engen Unterseite in einen unteren Hohlleiter 361 über, dem der bereits erwähnte obere Hohlleiter 362 gegenübersteht. Die Hohlleiter 361 , 362 sind jeweils mit einer Rückwurfwand 363 bzw. 364 versehen.
Die Wirkungsweise des Abgasreaktors 350 gemäß Fig. 12 ist wie folgt:
Die Einleitung und Führung der Stoßwelle in einem doppelten Stoßrohr entspricht dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 und 10a.
Als Besonderheit tritt beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 hinzu, daß der Reaktionsraum im Bereich der Schubdüse 354 mittels des zweiten Abgas-Eingangsraums 355 vorgewärmt wird. Diese Maßnahme steht daher in diametralem Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10a, bei dem, wie dort beschrieben, eine Vorkühlung des Reaktionsraums erfolgte.
Der Grund für die Vorwärmung des Reaktionsraums beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 besteht in der Notwendigkeit dieser Maßnahme bei bestimmten Arten von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Dieselmotoren.
Wie insgesamt aus der vorstehenden Beschreibung der mehreren Ausführungsbeispiele ersichtlich geworden ist, können einzelne Merkmale der Erfindung auch in anderen Kombinationen verwendet werden, ohne daß hierdurch der Bereich der Erfindung verlassen wird. Es versteht sich daher, daß von der Erfindung auch solche Ausführungsbeispiele umfaßt sind, die die vorstehend beschriebenen Elemente in anderen Kombinationen oder auch in Alleinstellung enthalten.

Claims

Verfahren zur Nachbehandlung der Abgase einer Brennkraftmaschine (52) in einem Abgasreaktor (10; 90; 149; 159; 179; 210; 240; 270; 300; 330; 350), bei dem die von der Brennkraftmaschine (52) bei jedem Auspufftakt periodisch in einen Auslaßkanal (12; 93; 162; 180; 181; 212; 241; 242; 273; 301; 331; 351) ausgestoßene und unter Druck stehende Abgasmenge einer bündelartig angeordneten Strahlrohrgruppe (32; 111; 163; 184; 314; 260; 275; 304; 332; 352; zugeführt, dort gegebenenfalls mit Luft (20) zu einem reaktionsfähigen Gasgemisch (37) vermischt, in einem nachfolgenden Reaktionsraum mittels einer Zündeinrichtung (48; 127; 177; 200; 236; 259; 287; 317) zu einer Nachreaktion gebracht und als ausgebranntes Endgas (62) einem Auspuffkanal (15; 96; 293; 321) zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der ausgestoßenen Abgasmenge ausgelöste Stoßwelle der Abgasmenge vorauseilend in dem Reaktionsaum durch Reflektion und Fokussierung der Stoßwelle an diese führenden Wandungen des Reaktors (10; 90; 149; 159; 179; 210; 240; 270; 300; 330; 350) eine Heißgaszone bildet, innerhalb der die Stoßwelle und die nacheilende Abgaswelle aufeinandertreffen, wobei das reaktionsfähige Gasgemisch bei einer Temperatur in der Heißgaszone, die unterhalb der Reaktionstemperatur des Gasgemisches liegt von der Zündeinrichung (48; 127; 177; 200; 236; 259; 287; 317) und mit Erreichen der Reaktionstemperatur in der Heißgaszone durch Selbstzündung zur Nachreaktion gebracht wird, wobei die Nachreaktion im Takt des Ladungswechsels der Brennkraftmaschine (52) bei motorseitig geschlossenen Auslaßkanal erfolgt, und daß danach das ausgebrannte Endgas (62) aus der Heißgaszone beschleunigt in den Auspuffkanal (15; 96; 293; 321) abgeleitet wird.
Abgasreaktor (10; 90; 149; 159; 179; 210; 240; 270; 300; 330; 350) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer im Reaktorgehäuse angeordneten Strahlrohrgruppe (32; 111; 163; 184; 314; 260; 275; 304; 332; 352), der das von der Brennkraftmaschine (52) mit jedem Auspufftakt periodisch ausgestoßene Abgas zugeführt wird, das dort gegebenenfalls mit Luft (20) zu einem reaktionsfähigen Gasgemisch (37) vermischt wird, das in einen nachfolgenden Reaktionsaum (44; 60) überströmt, in dem das Gasgemisch (37) mittels einer Zündeinrichtung (48; 127; 177; 200; 236; 259; 287; 317) gegebenenfalls zur Nachreaktion gebracht und als ausgebranntes Endgas (62) in einen Auspuffkanal (15; 96; 293; 321) abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber dem Auslaß der Strahlrohrgruppe (32; 111; 163; 184; 214; 260; 275; 304; 332; 350) eine Rückwurfwand (46; 197; 198; 258; 318; Flächen 197; 198; kegelförmige Wände 228; 338) angeordnet sind, durch die durch Reflexion und Fokussierung einer von der ausgestoßenen Abgasmenge ausgelösten und der Abgaswelle vorauseilenden Stoßwelle in dem Reaktionsraum eine Heißgaszone gebildet wird, innerhalb der die Stoßwelle und die nacheilende Abgaswelle aufeinandertreffen, wobei das reaktionsfähige Gasgemisch von der Zündeinrichtung (48; 127; 177; 200; 236; 259; 287; 317) bei einer Temperatur in der Heißgaszone, die unterhalb der Reaktionstemperatur des Gasgemisches liegt zur Nachreaktion gebracht wird und wobei die Nachreaktion durch einen von einem Kolben (11) gesteuerten Auslaßkanal (12) bzw. Auslaßventil (92) einer Brennkraftmaschine (52) im Takt des Ladungswechsels der Brennkraftmaschine (52) bei motorseitig geschlossenem Auslaßkanal (12; 93) erfolgt, und daß danach das ausgebrannte Endgas (62) aus der Heißgaszone durch eine Schubdüse (57; 57a; 135; 169; 199; 227; 251; 255; 284; 310; 310a; 312a; 337; 354) und eine nachfolgende Zugstrecke (59; 136; 150; 175; 196; 235; 286; 314; 340) beschleunigt in den Auspuffkanal (15; 96; 293; 321) abgeleitet wird.
Abgasreaktor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückwurfwand (46; 121) von einem in Richtung der Strahlrohrgruppe (32; 111) erweiterten Haubenteil (45; 120) umgeben ist, an das sich ein zylindrisches Haubenteil (56; 122) in axialer Richtung anschließt, und daß der Reaktionsraum (Rückwurfstrecke 44; Zone 60) im wesentlichen von der Rückwurfwand ( 45; 56; 120) und der Schubdüse (57; 135) begrenzt ist.
Abgasreaktor nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet, daß der der Strahlrohrgruppe (163; 214; 260; 275; 304; 352) nachgeordnete Teil des Reaktorgehäuses als ein als Schwingrohr wirkender langestreckter Hohlleiter (172; 238; 253; 286; 314; 361; 362) ausgebildet ist, der an beiden Enden durch Rückwurfwände (167, 174; 225, 235; 258, 261; 289, 294; 315, 318; 363, 364) abgeschlossen ist (Fig. 5, 7, 8 bis 10, 12).
Abgasreaktor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (257, 253; 281, 286; 361, 362) als doppeltwirkendes Schwingrohr in zwei axial hintereinanderliegende Abschnitte unterteilt ist, daß die Stoßwelle bzw. die Abgasmenge im Übergsngsbereich der beiden Abschnitte schräg eingeleitet werden, und daß die Strahlrohrgruppe (260; 275; 357, 358) zumindest einen Abschnitt des Hohlleiters koaxial umgibt (Fig. 8, 9, 12).
Abgasreaktor nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlrohrgruppe (184), die Rückwurfwand (197, 198) und die Schubdüse (199) axial nacheinander angeordnet sind (Fig. 6).
Abgasreaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß am auspuffseitigen Ende des Hohlleiters (172; 238; 253; 286; 314; 362) ein Welle-Gas-Separator (173; 235; 237; 261; 288) mit Rückwurfwänden (174; 289; 315; 364) für die Stoßwelle und mit öffnungen (176; 290; 319) für das ausgebrannte Endgas angeordnet ist (Fig. 5, 7 bis 10, 12).
Abgasreaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaßkanal (162; 331) sich in die Strahlrohrgruppe (163; 332) verzweigt, deren Rohgasleitungen (164; 333) in Richtung der stromab gelegenen Schubdüse (169; 337) schräg nach außen (divergierend) gerichtet sind, die an Eintritt in die Schubdüse (169; 337) in düsenartige Austrittsöffnungen (168) münden, zwischen denen ein Rückwurfelement (166; 339) angeordnet ist (Fig. 5, 11).
Abgasreaktor nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Auslaßkanals ( 162; 180, 181; 241, 242; 301; 351) eine schräg verlaufende Umlenkwand (165; 182; 243; 303) zur verlustarmen Überleitung der Stoßwelle bzw. Abgasmenge aus den Auslaßkanal (162; 180, 181; 241, 242; 301; 351) in die Strahlrohrgruppe (163; 184; 260; 304) vorgesehen ist (Fig. 5, 6, 8, 10, 12).
Abgasreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß in Lufteinzugsleitungen (17; 21; 25; 21a; 98; 219; 308) für die Primärluft-Beimischung oder Sekundärluft-Nachmischung mindestens eine Regelklappe (26; 99; 220; 309) angordnet ist, wobei die Regelklappen (26; 99; 220; 309) mit einer Füllungsregelung oder einer Lambda-Regelung der Brennkraftmaschine (52) in Wirkverbindung stehen (Fig. 1 bis 4, 7).
Abgasreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß in der Heißgaszone ein Temperatursensor (54) angeordnet ist, der in Wirkverbindung mit einer Kraftstoffzumeßeinrichtung (53) der Brennkraftmaschine (52) steht (Fig. 1).