DE2362075A1

DE2362075A1 - Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE2362075A1
Application number: DE2362075A
Authority: DE
Inventors: George E Miller; Russell J Van Rens
Original assignee: Outboard Marine Corp
Current assignee: Outboard Marine Corp
Priority date: 1972-12-13
Filing date: 1973-12-13
Publication date: 1974-06-27
Also published as: BE808549A; AU477124B2; GB1453598A; JPS5825847B2; CA1005296A; JPS4987918A; IT1000290B; FR2214324A5; AU6282773A

Description

Dipl.-Ing. FL Weickimann, Dipl.-Phys. De.. K.Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl^-Chem. B. Huber

SAHA _g MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

OUTBOARD MARIIiE CORPORATION, 100 Seahorse Drive, Waukegan,

Illinois, V.St.A.

Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, dessen Brennkammer mit einem Auspuffschlitz versehen ist, der nach jeder Verbrennung geöffnet wird und der mit einem Auspuffsystem in Verbindung steht, sowie einen mit diesem Verfahren betriebenen Verbrennungsmotor»

Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Anordnung zu schaffen, um Verbrennungsluft, gesteuert durch die DruckSchwankungen in dem Auspuffsystem des Motors,' in.das Auspuffsystem und von dort in die Brennkammer einzuführen. Außerdem will die Erfindung ein Verfahren vorsehen, um die Temperatur der Abgasströmung in dem Auspuffsystem durch Einpumpen von Luft in das Auspuff syst em unter der Wirkung der darin auftretenden periodischen Druckschwankungen herabzusetzen. Zum Einleiten der ..luft in das Auspuffsystem soll eine eigene Einrichtung vorgesehen werden. TJm dies zu erreichen, wird gemäß dem Verfahren der Erfindung in dem Auspuffsystem, nach dem Öffnen des Auspuffschlitzes eine Unterdruckwelle erzeugt; gesteuert durch den Lauf der Unterdruckwelle wird Verbrennungsluft in das Auspuffsystem eingeleitet; nach dem Einleiten der Verbrennungsluft in das Auspuffsystem wird in letzterem eine .Überdruckwelle bewirkt, die zum Auspuffschlitz läuft; durch diese, Überdruckwelle wird die Verbrennungsluft durch den Auspuffschlitz in die Brennkam-

4 0 9 8 2 6/0344 \

mer geleitet, bevor der Auspuffschlitz schließt. Diese Luft steht dann zur Unterstützung der Verbrennung in der Brennkammer zur Verfügung. ' _

Die Erfindung sieht ferner einen Verbrennungsmotor vor, der eine Brennkammer mit einem Auspuffschlitz hat, der mit einem Auspuffsystem in Verbindung steht, welches mit Mitteln versehen ist, um Verbrennungsluft durch den Auspuffschlitz in die Brennkammer einzuspeisen. Die Mittel zur Versorgung der Brennkammer mit Verbrennungsluft umfassen eine Anordnung, um auf das öffnen des AuspuffSchlitzes hin eine Unterdruckwelle zu erzeugen, die in dem Auspuffsystein weiterwandert, wobei diese die Unterdruckwelle erzeugende Anordnung in einem solchen Schallströmurgsabstand von dem Auspuffschlitz angeordnet ist, daß bei normaler Arbeitsgeschwindigkeit des Motors die Unterdruckwelle vor dem nächsten Schließen des AuspuffSchlitzes erzeugt wird, ferner eine Einrichtung, die zwischen dem Auspuffschlitz und der die Unterdruckwelle erzeugenden Anordnung, vorzugsweise nahe dem Auspuffschlitz, angebracht ist und unter der Steuerung durch die Unterdruckwelle im Auspuffsystem luft in das Auspuffsysteia einleitet, und schließlich Mittel, um eine in dem Auspuffsystem; zum Auspufföehlitz wandernde Überdruckwelle nach dem Einleiten von Verbrennungsluft in das Auspuffsystem zu bewirken, so daß die Verbrennungsluft von der Überdrückwelle durch den Auspuff schlitz in die Brennkammer eingeleitet wird.

Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einem periodischen Druckschwankungen unterworfenen Auspuffsystem in Abhängigkeit von dem periodischen Öffnen eines AuspuffSchlitzes, in der Weise, daß die Temperatur der Abgasströmung in dem Auspuffsystem durch Einpumpen von luft in das Auspuffsystem durch die darin auftretenden periodischen Druckschwankungen gesenkt wird.

Weiter sieht die Erfindung einen Verbrennungsmotor vor mit einem Auspuffsystem, das gesteuert durch das periodische Öffnen eines Auspuffschlitzes periodischen Druckschwankungen un~

409826/0344

terworfen ist, und mit Mitteln, die von den periodischen Druckschwanfcungen im Auspuffsystem gesteuert werden und Luft in ausreichendem Maße in das Auspuff system einleiten, um die Temperatur der durch das Auspuffsystem strömenden Abgase zu senken.

Gemäß der Erfindung gehören zu den Mitteln, um' Luft in das Auspuffsystem einzuleiten, ein Lufteinlaß im Auspuffsystem, sowie ein Ventil, das ein Einströmen von Luft durch den Lufteinlaß während der Überdruckperioden im Auspuffsystem verhindert und Luft während der Unterdruckperioden in das Auspuffsystem einströmen läßt, "und schließlich Mittel, um in Abhängigkeit von der Abgasströmung durch das Auspuffsystem periodische Unterdrucksustände hervorzurufen, wodurch während der TJnterdruckzustände im Auspuffsystem Luft in dasselbe eingeleitet wird .·■'■"

In den-veranschaulichten Konstruktionen besteht das Ventil aus einem Zungenventil, das in dem Auspuff system a-n einer solchen Stelle angeordnet ist, daß es den Lufteinlaß während der Überdruckperioden schließt, und die Mittel zum Erzeugen der Unterdruckzustände umfassen die Ausbildung des Auspuffrohres in der Weise, daß eine Verdünnungswelle oder ein negativer Druckimpuls entsteht, der nach dem Austritt einer positiven Druckwelle aus dem Auspuffschlitz hervorgerufen wird. Die einströmende Luft wird gemäß der Erfindung durch den. Auspuffschlitz in die Brennkammer eingeführt oder zur Herabsetzung der Temperatur der Abgasströmung, auch wenn keine Wärmeableitung erfolgt, verwendet oder sie wird für beides, also für die Versorgung der Brennkammer mit Verbrennungsluft und zuf Temperaturreduzierung der Abgase, ausgenützt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel betritt die einströmende Luft das Auspuffsystem in der Nähe des Auspuffschlitzes, um die Einleitung der Luft durch den Auspuffschlitz in die Brennkammer zu erleichtern. ,

40 9826/0344

Weitere Vorzüge und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Aulsführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Pig.i eine schenatische Ansicht eines Verbrennungsmotors mit einem Auspuffsystem, das verschiedene Merkmale der Er-• findung zeigt;

i'ig.2 eine fragmentarische schematische Ansicht eines anderen Verbrennungsmotors mit einem erfindungsgemäßen Auspuffsystem.

In Fig.i ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Verbrennungsmotors gezeigt, der eine Brennkammer, einen Auspuffschlitz hat und im Betrieb eine pulsierende Abgasströmung aus dem Auspuff schlitz liefert. Die Erfindung ist auf jeden Verbrennungsmotor mit Brennkammer anwendbar, der eine pulsierende Abgasströmung erzeugt. Der gezeigte Motor ist ein Zweitaktmotor und hat eine Brennkammer in Porm eines Zylinders 12, einen Auspuffschlitz 13 und einen Kolben 15, der bei seiner Bewegung den Auspuffschlitz 13 öffnet und schließt. An den Auspuffschlitz 13 ist ein Auspuffsystem 17 angeschlossen, das ein mit dem Auspuffschlitz 13 in Verbindung stehendes Auspuffrohr 19 hat, das über einen oder mehrere Auslässe 23 mit der Atmosphäre in Verbindung ist.

Während des Betriebs des Motors 11 öffnet der Auspuffschlitz 13 periodisch und bewirkt dadurch eine periodische Strömung positiver Druckimpulse des Abgases oder Druckwellen durch das Auspuff system und durch dessen Auslässe 23 in die Umgebung.

Gemäß der Erfindung wird der Motor teilweise durch Einleiten von Verbrennungsluft in die Brennkammer durch das Auspuffsystem 17 während der Öffnungsperiode des AuspuffSchlitzes 13 betrieben. Im einzelnen umfaßt das Betriebsverfahren das Erzeugen einer Unterdruckwelle in dem Auspuffsystem 17 nach dem Öffnen des AuspuffSchlitzes 13, das Einleiten von Verbrennungs-

409826/0344

luft in das Auspuffsystem 17 unter der Steuerung durch die sich fortbewegende Unterdruckwelle, das Hervorrufen einer Überdruckwelle, die in dem Auspuffsystem nach dem Einleiten von Verbrennungsluft aur Brennkammer läuft, und das Einführen der Verbrennungsluft durch die Überdruckwelle in den Zylinder 12, bevor der Auspuffschlitz 13 schließt.

Weiter weist gemäß der Erfindung der Verbrennungsmotor 11 Mittel auf, um Verbrennungsluft, gesteuert durch Druckschwankungen in dem Auspuffsystem, durch den Auspuffschlitζ in die Brennkammer einzuspeisen oder zu pumpen. Diese Mittel umfassen: Mittel zum Erzeugen einer Unterdruckwelle, die in einem solchen Schallströmungsabstand vom Auspuffschlitζ angeordnet ist, daß bei normalen Motorgeschwindigkeiten die Unterdruckwelle vor dem nächsten Schließen des AuspuffSchlitzes 13 erzeugt wird und die Einleitung von Luft in das Auspuffsystem bewirkt, damit diese Luft durch eine Überdruckwelle in die Brennkammer eingeführt wird, bevor der Auspuffschlitz schließt, und das Einführen der Verbrennungsluft in den Zylinder 12 durch die Überdruckwelle vor dem Schließen des Auspuffschlitzes 13·

Ferner weist gemäß der Erfindung der Verbrennungsmotor 11 Mittel zum Einspeisen oder Pumpen von Verbrennungsluft in die Brennkammer durch den Auspuffschlitz unter der Steuerung durch Drueksehwänkungen in dem Auspuffeystem .auf. Diese Mittel umfassen eine Einrichtung zum'Erzeugen einer Unterdruckwelle, die in einem solchen Schallströmungsabstand vom Auspuffschlitz angeordnet ist, daß bei normalen Motorgeschwindigkeiten die Unterdruckwelle vor dem nächsten Schließen des Auspuffschlitzes 13 erzeugt wird. Die Mittel zum Einspeisen von Verbrennungsluft umfassen ferner eine Einrichtung, die zwischen dem Auspuffschlitz und den Mitteln zum Erzeugen der. Unterdruckwelle angeordnet ist und unter der. Steuerung durch die in dem Auspuffsystem 17 laufende Unterdruckwelle Luft in das Auspuffsystem einleitet, damit diese von,einer Überdruckwelle durch

4098 26/034 4

den Auspuff schlitz 13 in die Brennkammer, d.i. den Zylinder 12, eingeführt wird. Schließlich gehören zu den Mitteln zum Einspeisen von Verbrennungsluft auch noch Mittel, um eine Überdruckwelle in dem Auspuffsystem zur Brennkammer laufen zu lassen, nachdem Verbrennungsluft in das Auspuffsystem eingeleitet wurde, damit diese eingeleitete Verbrennungsluft durch den Auspuffschlitz in die Brennkammer eingeführt wird.

Zum Erzeugen einer laufenden Unterdruckwelle in dem Auspuffrohr 19 sind verschiedene Anordnungen möglich. In dem gezeigten Beispiel ist in dem Auspuffsystem 17 eine Erweiterung 24 in dein Auspuffrohr 19 vorgesehen, die auf einen positiven Druckimpuls hin, der nach dem Öffnen des AuspuffSchlitzes 13 ankommt, einen negativen Druckimpuls, d.i. eine Verdünnungs— welle, erzeugt, die durch das Auspuffrohr 19 zurück zum Zylinder 12 läuft und kurzzeitig in dem Auspuffrohr 19 einen Unterdruck hervorruft. Die Erweiterung 24 ist an einer solchen Stelle angeordnet, daß ihr Schallströmungsabstand vom ZyJLinder 12 die richtige Größe hat, um die Unterdruckwelle vor dem Schliessen des AuspuffSchlitzes 13 zu erzeugen und Luft im richtigen Zeitpunkt in das Auspuffrohr einzusaugen, damit diese Luft von einer Überdruckwelle in die Verbrennungskammer eingeführt werden kann.

Die Mittel zum Einspeisen oder Einpumpen von Luft in das Auspuff system unter der Steuerung durch die pulsierende Abgasströmung durch das Auspuffsystem 17 sind einmal ein Lufteinlaß 27, der in dem Auspuffrohr 19 vorzugsweise nächst dem Auspuffschlitz 13 angeordnet ist und mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Zum zweiten ist ein Steuerorgan für die Strömung vorgesehen, das den Lufteinlaß 27 im Auspuffrohr 19 unter der Steuerung durch den pulsierenden Druck, hervorgerufen durch die Abgasströmung vom Auspuffschlitz 13 durch das Auspuffsystem 17, öffnet und sehließt. . -

Dieses Steuerorgan leitet Luft während der Unterdruckperioden

4098 2 6/0344

in dem Auepuff rohr 13» d*i., v/eiin.dc-r Druck in dem Auspuffrohr 19 unter A-tmosphäreMi-uck liegt, in dieses ein bzw. gestattet die Einströmung der Luft und verhindert die Ausströmung durch den Lufteinlaß 27 während der Uberdruckperioäen in dem Auspuffrohr 19» d.i., wenn der Druck in dem Auspuffrohr 19 über dem Atmosphärendruck liegt. - ,

Für das Steuerorgan sind verschiedene Ausführungen möglich. In dem gezeigten Beispiel ist das Steuerorgan ein herkömmliches Zungenventil 31» das im Inneren des Auspuffrohres 19 derart angeordnet ist, daß es den Lufteinlaß 27"während eines Überdruckes in dem Auspuffrohr 19 schließt und während eines Unterdrückes in dem Auspuffrohr 19 öffnet, um Luft in das Auspuffsystem einströmen zu lassen»

Um eine Überdruckwelle in dem Auspüffsystem zum Auspuffschlitz hin laufen zu lassen, nachdem Luft in das Auspuffsystem eingeleitet wurde, sind verschiedene Anordnungen möglich. So kann beispielsweise eine Druckwelle verwendet werden,die beim Öffnen des AuspuffSchlitzes einerzweiten Brennkammer oder eines zweiten ..Zylinders entsteht. Bei dem veranschaulichten Beispiel besteht das Mittel hierfür aus einer sich in Querrichtung erstreckenden Wand 55s die am äußeren Ende der Erweiterung 24 an einer solchen Stelle angebracht ist, daß sie die vom Auspuff schlitz ausgehenden Druckwellen ablenkt und zum Auspuffschlitz 13 zurückschickt, und die mit Auslassen 23 versehen ist₉ welche in radialer Richtung außerhalb einer .Projektion des Auspuffrohres 19 angeordnet sind. Da diese Querwand 35 von dem Auspuffschlitz weiter entfernt ist als das innere En-' de.der Erweiterung 24, laufen die zurückkehrenden Überdruekwellen erst zum Auspuffschlitz 13, nachdem Luft durch den Lufteinlaß 27 in das Auspuffsystem eingeleitet wurde.

Im Betrieb werden die abwechselnden positiven und negativen Druckzustände, die in dem Auspuffrohr 19 infolge der pulsie-

409826/0344

rend en Abgasströmung auftreten, dazu ausgenützt, Luft durch den Lufteinlaß 27 in das Auspuffrohr 19 einzuleiten oder einzupumpen. Diese Luft v/ird dann von den rückkehrend en Überdruckwellen durch die verhältnismäßig kurze Strecke zwischen dem Lufteinlaß 27 und dem Auspuffschlitz 13 mitgenommen und durch den Auspuffschlitz 13 in die Yerbrennungskamnier eingeführt.

Gemäß der Erfindung, kann, der in Fig.1 gezeigte Motor 11 auch betrieben v/erden, um abwechselnd oder gleichzeitig die Temperatur der Abgasströmung in dem Auspuffsystem 17 zu senken, indem durch die periodischen Druckschwankungen im Auspuffsystem 17 Luft in dieses eingepumpt wird. Gemäß der Erfindung weist der Verbrennungsmotor 11 Mittel auf, um unter der Steuerung durch die periodischen Druckschwankungen in dem Auspuffsystem 17 Luft in ausreichendem Maß in das Auspuffsystem 17 einzuleiten, so daß die !Temperatur der durch das Auspuffsystem 17 strömenden Abgase gesenkt wird.

Die Herabsetzung der Abgastemperatur in dem Auspuffsystem 17 kann gemäß der Erfindung dadurch erreicht werden, daß der Lufteinlaß 27 auf eine ausreichende Strömung dimensioniert wird, damit das Volumen der eintretenden Luft groß genug ist, um die Temperatur der Abgasströmung zu erniedrigen, auch wenn keine Wärmeabführung aus dem Gesamtsystem stattfindet. Alternativ können auch einige ventilgesteuerte Lufteinlässe, die in Abständen entlang dem Auspuffrohr angeordnet sind, siehe Pig.2, verwendet werden, um das Volumen der in das Auspuffsystem 17 einströmenden Luft zu vergrößern. Pig.2 zeigt einen Motor 51, der im wesentlichen dem in Pig.1 dargestellten Motor 11 gleich^ mit der Ausnahme, daß zwei ventilgesteuerte Lufteinlässe 27 und 57 angeordnet sind. Außerdem kann nach V7unsch das Auspuffsystem 17 derart gestaltet sein, daß bei jeder öffnung des AuspuffSchlitzes 13 einige Unterdruckwellen erzeugt werden, die in dem Auspuffsystem laufen, um dadurch ebenfalls das in

40982670344

das Auspuffsystem 17 eingeleitete Luftvolumen zu vergrößern« In Kombination können einige Lufteinlässe in einem Auspuffsystem verwendet werden, in dem für jedes öffnen des Auöpuffschlitzes mehrere Verdünnungswellen erzeugt werden.

Die Abkühlung der Abgasströmung in dem Auspuffsystem 17 durch das Einleiten von Luft in das Auspuffsystem hängt von der Temperatur der Abgase an der Stelle des lufteintritts und von dem Vorhandensein oder Pehlen brennbarer Stoffe in den Abgasen ab ο Wenn in den Abgasen keine brennbaren Stoffe vorhanden sind, wird jede Einleitung von Luft in das Auspuffsystem eine gewisse Abkühlung der Abgase bewirken»* ?alls aber in den Abgasen brennbare Stoffe vorhanden sind, kann es zu einer spontanen Verbrennung mit dem Resultat einer Temperaturerhöhung kommen, wenn Luft dann eingeführt wird, wenn sich die Abgastemperatur auf einer die spontane Verbrennung unterstützenden Höhe befindet* Yfenn jedoch die Abgastemperatur unter der eine spontane Verbrennung unterhaltenden Temperatur liegt, führt die Einleitung von Luft ohne Rücksicht auf das Vorhandensein oder Fehlen von brennbaren Stoffen in den Abgasen zu einer Herabsetzung der G-e samt temperatur in der Abgasströmung.

Yfenn mehrere Lufteinlässe in einem Auspuffsystem verwendet werden, wie dies in Mg.2 gezeigt ist, kann die durch den Lufteinlaß 27, der dem Auspuffschlitz 13 am nächsten ist, eintretende Luft eine spontane Verbrennung von brennbaren Bestandteilen der Abgase unterstützen oder kann in die Brennkammer eingeführt werden, oder auch beides, wogegen die durch den stromabwärts gelegenen Lufteinlaß 57 einströmende Luft dazu dient, die Temperatur der Äbgasströmung von der stromaufwärts stattfindenden Verbrennung zu reduzieren. Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Motoren 11 und 51 so zu betreiben, daß sowohl eine Einführung von Luft in die Brennkammer durch den Auspuffschlitz als auch eine Senkung der Temperatur der Abgasströmung erreicht wird.

40982670344.

Zu beachten ist, daß die Erfindung sowohl auf Mehrzylinder-Motoren als auch auf Einzylinder-Motoren anwendbar ist und nicht auf ein spezifisches Auspuffsystem beschränkt ist.

Gegenüber den beschriebenen und dargestellten Beispielen sind im Rahmen der Erfindung Abänderungen möglich.

. 409826/0344

Claims

A ns ρ r ü c h e

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, dessen Brennkammer mit einem Auspuffschlitz versehen ist, der nach jeder Verbrennung geöffnet wird und der mit einem Auspuffsystem in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Auspuffsystem stromabwärts von dem Auspuffschlitz nach dessen Öffnen eine rücklaufende Unterdruckwelle erzeugt wird, die zum Auspuffschlitz hinläuft, daß gesteuert durch die rücklaufende Unterdruckwelle nicht mit Brennstoff gemischte Verbrennungsluft in das Auspuffsystem eingeleitet wird, daß nach der Einleitung der Verbrennungsluft in das Auspuffsystem eine Überdruckwelle zurückgelenkt wird, die in dem Auspuff system zum offenen Auspuff schlitz hinläuft, und daß die: Verbrennungsluft von der Überdruckwelle vor dem Schließen des AuspuffSchlitzes in die Brennkammer eingeführt wird.

2« Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, dessen Brennkammer mit einem Auspuffschlitz versehen ist, der nach jeder Verbrennung geöffnet, wird und der mit einem Auspuffsystem in Verbindung steht,,insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Abgasströmung in dem Auspuffsystem durch Erzeugen einer zum Auspuffschlitz zurücklaufenden Unterdruckwelle in dem Auspuffsystem stromabwärts vom Auspuffschlitz und durch Einleiten von id.t Brennstoff unvermischter Verbrennungsluft in das Auspuffsystem unter der Steuerung durch die rücklaufende Unterdruckwelle gesenkt wird.

3« Verbrennungsmotor.mit einer Brennkammer, mit einem Auspuffschlitz, der mit der Brennkammer in Verbindung stehlt und mit einem Auspuffsystem, das mit dem Auspuffschlitz in Verbindung steht, gekennzeichnet durch eine Anordnung (24)j um nach dem Öffnen des Auspuff Schlitzes (13) in dem Auspuff system (17) eine zum Auspuffschlitz zurücklaufende

409-826/0344 ■

Unteraruckwelle zu erzeugen, durch eine Einrichtung (27, 31), die nahe dem Auspuffschlitz angebracht ist und von der in dem Auspuffsystem zurücklaufenden Unteraruckwelle in der V/eise betätigbar ist, daß sie Luft in das Auspuffsystem einleitet, und durch Mittel (35), um den Lauf einer Überdruckwelle in dem Auspuffsystem zurück zum Auspuffschlitz zu lenken, so.daß die eingeleitete Luft durch den Auspuffschlitz in die Brennkammer eingeführt wird.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Einleiten von Luft ein ventilgesteuerter Lufteinlaß (27) in dem Auspuffsystem nächst dem Auspuffschlitz ist.

409826/0344