Verfahren zur Verminderung des Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxydgehaltes der Abgase von Verbrennungsmotoren auf dem Wege der Nachverbrennung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxydgehaltes der Abgase von Verbrennungsmotoren auf dem Wege der Nachverbrennung.
Die Abgase von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, enthalten vor allem Kohlenmonoxyd als giftigen Bestandteil sowie andere unvollständige Verbrennungsprodukte von Kohlenwasserstoffen, die auch zu der gefürchteten Bildung sehr dichten Nebels in Grossstädten (smog) beitragen. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die brennbaren Bestandteile der Abgase, insbesondere Kohlenmonoxyd, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe, zum Beispiel durch katalytische Nachverbrennungen zu beseitigen. Es ist insoweit schon bekannt, die unverbrannten Abgasbestandteile in einem Nachbrenner an einer katalytischen Substanz, zum Beispiel Metalloxyden, zu verbrennen, wobei die dazu erforderliche Reaktionstemperatur mit Hilfe von Heizvorrichtungen erreicht wird.
Die beim Leerlauf von Kraftfahrzeugmotoren entstehenden Abgase haben am Motoraustritt normalerweise eine Temperatur von etwa 260 bis 2800C. Beim Start - besonders während der kalten Jahreszeit - sind die Abgase bei Leerlauf jedoch wesentlich kälter. Da die Katalysatoren des Nachbrenners je nach ihrer Beschaffenheit erst bei Temperaturen von etwa 250 bis 35O0C zu arbeiten beginnen, unterbleibt beim Unterschreiten dieser Arbeitstemperatur die Nachverbrennung u. damit natürlich auch die Entgiftung. Aus diesem Grunde hat man schon verschiedentlich die Abgase bei den Betriebszuständen mit niedrigen Abgastemperaturen vorgewärmt oder die Katalysatorensubstanz im Nachbrenner selbst aufgeheizt. Die Heizeinrichtungen hierfür sind sehr aufwendig.
Zum Beispiel erfordert beim Kraftfahrzeug eine Aufheizung mit elektrischen Widerständen eine Heizleistung, die von einer normalen Autobatterie nicht geliefert werden kann. Diese und ähnliche Vorrichtungen haben darüber hinaus aber auch noch ein verhältnismässig hohes Gewicht und einen ziemlich grossen Raumbedarf, abgesehen davon, dass der Katalysator durch Bestandteile der Abgase relativ schnell vergiftet wird und dann erneuert werden muss.
Ferner ist ein Verfahren zur Entgiftung der Abgase, insbesondere von für Fahrzeuge bestimmten Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem in der Abgasleitung impulsgebende Mittel vorgesehen sind, die auf die noch brennbaren Bestandteile der Abgase ansprechen und dadurch die Zufuhr von Frischluft und/oder Brennstoff zum Motor selbsttätig regeln. Ein solches Verfahren hat nur einen begrenzten Anwendungsbereich, denn die Motorabgase von Otto-Motoren haben beim normalen Betrieb nur 3 bis 8% Kohlenmonoxyd und eignen sich daher zumindest nicht zur unmittelbaren Nachverbrennung, da sie erst ab einem Kohlenmonoxydgehalt von etwa 10% brennbar werden. Die Bestandteile der Abgase führen also auch bei diesem Verfahren bei blosser Frischluftzuführung und Zündung nicht zu dem erforderlichen exothermen Prozess.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit einer Nachverbrennung arbeitenden Abgasentgifter zu schaffen, der in seiner Herstellung und in seinem Aufbau einfach ist, besonders betriebsicher arbeitet und den für eine praktikable Abgasentgiftung aufgestellten erhöhten Anforderungen der neuesten, verschärften Einsatzbestimmungen Rechnung trägt.
Erfindungsgemäss wird der Brennstoffgehalt des dem Motor zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches gerade soweit erhöht, dass auch die Abgase unter Zufuhr von Luft in einer Brennkammer noch brennbar werden. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden als Grundstoff der Nachverbrennung zunächst ebenfalls das in den Auspuffgasen enthaltene CO,H und CH4 benutzt, jedoch, wie schon weiter vorne erwähnt, ist bei diesen Abgasanteilen keine einwandfreie Nachverbrennung gewährleistet. Beim erfindungsgemässen Verfahren werden die brennbaren Abgas anteile, insbesondere der Kohlenmonoxydgehalt durch Zufuhr von zusätzlichem Brennstoff zur eigentlichen Kraftstoffdosis des Motors, also vor dem Motor, gerade so weit erhöht, dass diese Abgase brennbar werden.
Man erreicht auf diese Weise die Brennbarkeit und Zündfähigkeit der Abgase durch eine Erhöhung des Kohlenmonoxydgehaltes und nicht etwa durch die Zufuhr von Kraftstoff, zum Beispiel Benzin, in einem Nachbrenner, da die Abgase auch bei der schon bekannten Methode der Nachverbrennung nur ungenügend verbrennen und das Problem so nicht zu lösen ist. Das Kohlenmonoxyd hingegen wird bei dem erfindungsgemässen Verfahren in das ungiftige Kohlendioxyd überführt.
Die Erhöhung des Brennstoffgehaltes des dem Motor zugeführten Brennstoff-Luft-Gemisches wird zweckmässig nur periodisch vorgenommen. Dann arbeitet der Motor bei der weitaus überwiegenden Zahl der Arbeitstakte ganz normal und erhält lediglich in bestimmten Zeitabständen ein besonders kraftstoffreiches Gemisch. Dieses verbrennt nur unvollständig, hat einen besonders hohen Kohlenmonoxydgehalt und dieser bringt im Gemisch mit dem normalen Abgas dieses auf einen Kohlenmonoxydgehalt, der die erfindungsgemässe Nachverbrennung ermöglicht.
Der jeweilig erhöhte Brennstoffbedarf für die Nachverbrennung der Abgase ist in der Regel von der Drehzahl abhängig und kann infolgedessen auch in Abhängigkeit von der Drehzahl gesteuert werden. Wenn mehr Brennstoff zur Erhöhung des Kohlenmonoxydgehaltes der Abgase benötigt wird, so kann das im wesentlichen auf zwei Arten geschehen:
Einmal, indem die zeitlichen Abstände der gesonderten Brennstoffzufuhr konstant gehalten werden und die Brennstoffmenge jeweils erhöht wird.
Ein anderer Weg ist die Zufuhr des zusätzlichen Brennstoffs in unveränderter Menge, jedoch in kürzeren Zeitabständen.
Anhand des in der Zeichnung veranschaulichten Funktionsschemas sei das erfindungsgemässe Verfahren, beispielsweise für den Viertakt-Boxer-Motor eines Volkswagens, näher erläutert.
Durch eine Kolbenpumpe 2, die über eine Steuervorrichtung oder eine Relais 1 drehzahlabhängig betrieben wird, wird bei etwa jeder 17. bis 20. Umdrehung des Motors etwa die doppelte Menge Kraftstoff in den Vergaser 3 eingespritzt. Dieser geringe Kraftstoffzusatz zur normalen Kraftstoff-Dosierung des Motors ergibt den für die Nachverbrennung erforderlichen höheren Kohlenmonoxydgehalt, ohne den Motor in seiner Leistung zu beeinflussen. Der Kraftstoff gelangt also in der üblichen Weise aus dem Tank 9 über den Vergaser 3 in den Motor 4 und diese Zufuhr wird vorzugsweise in periodischen Abständen kurzzeitig erhöht. Nach beendetem Arbeitstakt im Motor wird das ausgestossene Gas in einer Brennkammer 6, die auch gleichzeitig als Schalldämpfer dienen kann, aufgefangen, mit Frischluft angereichert und mit Hilfe einer Zündspule 7 gezündet.
Die zur Anreicherung der Abgase dienende Verbrennungsluft kann, wie beispielsweise dargestellt, mit Hilfe eines Gebläses 5 zwangsweise zugeführt werden. Sie kann aber auch mit an sich bekannten Vorrichtungen durch die Strömung der Abgase angesaugt werden. Anstelle der Zündspule 7 können zur Zündung auch andere geeignete Vorrichtungen Verwendung finden, die hohe Temperatur der Abgase oder eine zusätzliche Zündung mit Hilfe von Funken, Lichtbögen, Glühfäden oder Katalysatoren bewirken.
Die durch die Nachverbrennung gereinigten Abgase entsprechen mit ihrem geringen Kohlenmonoxyd- und Kohlenwasserstoffanteil den heutigen Forderungen. Man kann die Abgase ins Freie leiten, nachdem sie gegebenenfalls vorher durch einen Flammenfang und einen Wärmeaustauscher geführt werden. Eine lange Reihe von praktischen Versuchen bestätigen die besondere Eignung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Lösung des anstehenden Abgasentgiftungs-Problems. Es wurde ermittelt, dass der Hauptgiftbestandteil der Autoabgase, nämlich das CO, auf 0,6 Prozent einwandfrei reduziert wird.
Dieser reduzierte Wert von 0,6% CO lässt sich sogar bis zu einer Fahrzeuggeschwindigkeit von 50 km/h einhalten und kommt damit also gerade im abgasintensiven Stadtverkehr voll zur Geltung.