DE2504789A1

DE2504789A1 - Gemischaufbereitungssystem

Info

Publication number: DE2504789A1
Application number: DE19752504789
Authority: DE
Inventors: Frederick James Marsee
Original assignee: Ethyl Corp
Current assignee: Ethyl Corp
Priority date: 1974-02-06
Filing date: 1975-02-05
Publication date: 1975-08-14
Also published as: DE2504789C3; SE412789B; AU7787675A; BR7500759A; DE2504789B2; FR2259993A1; CA1014439A; SE7501104L; JPS50132319A; JPS5335216B2; FR2259993B1; GB1493872A; IT1029477B

Description

DR. BERG DIPL.-ING.. STAPF DIPL.-ING. SCHWABE DR. DF. SANDMAIR

PATENTANWÄLTE

8 MÜNCHEN 86, POSTFACH 86 02 45 . 2504789

Anwaltsakte 25 761 5- Februar 1975

ETHYL CORPORATION .

Richmond, Virginia / USA

Gemischaufbereitungssystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gemischaufbereitungssystem für eine mit Zündfunken arbeitende, mehrzylindrige Brennkraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Gemischaufbereitungsanlage, mittels welcher eine gleichmäßigere Verteilung des Brennstoffs auf die einzelnen Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine und damit durch verbesserte Ausnutzung des Brennstoffs ein wirtschaftlicher Betrieb der Maschine sowie eine Verringerung des Schadstoffanteils in den

r (089) 98 82 72 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 Banken: Bayerische Vereinsbank München 453100

987043 Telegramme: BERGSTAPFPATENT München Hypo-Bank München 389 2623

983310 TELEX: 0524560 BERG d Postscheck München 65343-808

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Abgasen erzielbar ist.

Im Hinblick auf die Verringerung des Schadstoffanteils in den Abgasen von Brennkraftmaschinen besteht seit einiger Zeit das Bestreben, solche Maschinen mit einem relativ mageren Luft-Brennstoffgemisch zu betreiben, um damit die in den Abgasen enthaltenen Mengen an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid zu verringern. Die Möglichkeit, zunehmend magere Gemische zu verwenden, ist durch die sich dabei verschlechternde Verteilung des Brennstoffs au£ die einzelnen Zylinder begrenzt. Das zugeführte Luft-Brennstoff gemisch muß also wenigstens so fett sein, daß der mit dem magersten Gemisch gespeiste Zylinder noch immer sicher zündet, da sonst der Ausstoß von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid eher zu- statt abnimmt. Die auftretenden Schwierigkeiten machen sich am stärksten bemerkbar, «wenn die zum Starten geschlossene Starterklappe geöffnet wird, da der Vergaser und die damit zusammenwirkenden Teile zu diesem Zeitpunkt noch nicht die richtige Betriebstemperatur haben, so daß ein großer Teil des zugeführten Benzins im flüssigen Zustand bleibt und sich daher ungleichmäßig verteilt.

Zur Verringerung dieser Schwierigkeiten wurden bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen. Gemäß einem solchen Verfahren ist der gesamte Ansaugkrümmer, auf welchem der Hauptvergaser sitzt, mit einem Abgasheizmantel umgeben (vgl. Bartholomew, "Potentialities of Emission Reduction by Design of Induction Systems" SAE-Tagung Januar 1966,

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Detroit, USA). Bei einem anderen Verfahren ist unmittelbar unter dem Ansaugrohr des HauptVergasers ein "heißer Pleck" im Ansaugkrümmer vorgesehen. Zu diesem Zweck ist die betreffende Stelle des Ansaugkrümmers durch eine dünne Blechwandung von einer Auspuff-Querverbindung getrennt (vgl. W.D.Bond, "Quick-Heat Intake Manifolds for Reducing Gold Engine Emissions", SAE-Tagung Oktober 1972, Tulsa, USA). Diese beiden Verfahren sind zwar wirksam, vermögen die genannten Schwierigkeiten jedoch nicht völlig zu beseitigen.

Andere bekannte Ansaug- bzw. Gemischaufbereitungssysteme sind, in chronologischer Reihenfolge, in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben:

Die US-PS 1 4-79 54-7 (1924) beschreibt ein Aufbereitungssystem, bei welchem der flüssige Brennstoff einer im Auspuffkrümmer angeordneten, etwa birnenförmigen Kammer zugeführt wird. Dabei wird der Brennstoff verdampft und anschließend mit über besondere Einrichtungen getrennt zugeführter Luft vermischt.

ie I¹R-PS 629 582 (1926) beschreibt einen zwischen dem Vergaser und dem Ansaugkanal der Brennkraftmaschine angeordneten Abgas-Heizmantel.

Die US-PS 1 777 4-72 (1930) beschreibt die Verwendung eines durch eine dünne Wandung nahe der Beschleunigungsdüse in einem Vergaser gebildeten "heißen Flecks" für die bessere Verdampfung von beim Beschleunigen im Übermaß zugeführtem Benzin.

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Die US-PS 2 066 720 (1937) beschreibt einen Steigstromvergaser, bei welchem das Luft-Brennstoffgemisch durch ein den Auspuffkrümmer quer durchsetzendes, kolbenförmig erweitertes Leitungsteil geführt ist.

Die US-PS 2 720 197 (1955) beschreibt einen zwischen dem Vergaser und dem Ansaugkrümmer angeordneten, mit Flüssigkeit beheizten Wärmeaustauscher.

Die US-PS 3 016 051 (1962) beschreibt ein Ansaugsystem für einen V-Motor mit doppeltem Saugrohr und einem U-förmigen Rohr,welches die beiden Einzelteile des Ansaugkrümmers miteinander verbindet und in eine Auspuff-Querverbindung hineinragt.

Die US-PS 3 797 4-68 (1974-) schließlich beschreibt einen zwischen dem Vergaser und dem Ansaugkrümmer angeordneten Wärmeaustauscher.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Brennstoffverteilung und einer sauberen Verbrennung mit einem niedrigen Schadstoffanteil in den Abgasen schafft die Erfindung ein Gemischaufbereitungssystem für eine mit Zündfunken arbeitende Brennkraftmaschine mit einem Ansaugkrümmer und einem Vergaser, welcher wenigstens ein Hauptsaugrohr zum Erzeugen eines Luft-Brennstoffgemische aus in einem Luftstrom zerstäubtem Benzin aufweist. Gemäß der Erfindung ist eine Mischkammer vorgesehen, welche über eine an einem Einlaß angeschlossene Saugleitung mit dem Hauptsaugrohr des Vergasers und über einen Auslaß mit dem Ansaugkrümmer der

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Brennkraftmaschine strömungsverbunden ist und einen Strömungsweg bildet, in welchem vom Einlaß zum Auslaß wenigstens eine volle Umkehrung der Strömungsrichtung stattfindet. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfin^ dung, in welcher der Vergaser ein Zusatzsaugrohr zum Erzeugen von zusätzlichem Luft-Brennstoffgemisch bei erhöhter Belastung der Brennkraftmaschine aufweist, ist das Zusatzsaugrohr an einer axial mit dem Auslaß der Mischkammer fluchtenden Stelle mit dem Ansaugkrümmer strömungsverbunden. In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist die Mischkammer mit einem Mantel umgeben, welcher Einrichtungen zum Hindurchleiten des Kühlmittels der Brennkraftmaschine aufweist.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines zwei Saugrohre aufweisenden Vergasers und einer Mischkammer für das primäre Luft-Brennstoffgemisch,

Pig. 2 eine Ansicht der Mischkammer im Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1 ■

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen vier Saugrohre aufweisenden Vergaser, welcher auf einem Ansaugkrümmer mit zwei Verteilerrohren angebracht ist, .

Fig. 4 eine Ansicht der beiden mit einer Mischkammer strömungsverbundenen Hauptsaugrohre im Schnitt entlang der Linie B-B in Fig. 3 und

Fig. 5 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie C-G in Fig. 3 mit den Auslässen der Mischkammer und

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den in die beiden Verteilerrohre mündenden Zusatzsaugrohren des Vergasers.

In Fig. 1 erkennt man einen zwei Saugrohre aufweisenden Vergaser 1, welcher auf einem Ansaugkrümmer 2 sitzt. Das Hauptsaugrohr 3 des Vergasers ist über ein Leitungsteil 4 mit dem Einlaß 5 einer Mischkammer 6 strömungsverbunden. In die eine Venturidüse 7 des Hauptsaugrohrs durchströmende Luft wird aus einer Düse 8 Benzin zerstäubt. Die Strömung des entstehenden Luft-Brennstoffgemische ist mittels einer Drosselklappe 10 steuerbar.

Die Mischkammer 6 hat rechteckige Form und ist von einer Umfangswand 11, einem Boden 13 und einer oberen Wand 12 begrenzt. Letztere bildet gleichzeitig den Boden eines Teils des Ansaugkrümmers 2. Ein vom Kühlmittel der Brennkraftmaschine durchströmter Mantel 14 umgibt ein Teil der Mischkammer 6. Das Leitungsteil 4 verläuft abwärts zum Einlaß 5 und ein Auslaß 15 der Kammer 6 mündet aufwärts in den Innenraum 16 des Ansaugkrümmers 2.

Das Zusatzsaugrohr 20 des Vergasers mündet an einer dem Auslaß 15 genau gegenüberliegenden Stelle über einen Durchlaß 21 in den Innenraum 16 des Ansaugkrümmers 2. Die Strömung eines zusätzlichen Luft-Brennstoffgemischs durch das Zusatz-Saugrohr 20 ist mittels einer Drosselklappe 22 steuerbar.

Der Ansaugkrümmer 2 ist über einen seitlichen Stutzen 28 mit dem Ansaugkanal 25 eines Zylinders der Maschine 26

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stromungsverbunden. Ein vom Ansaugkrümmer vorwärts und rückwärts verlaufendes Verteilerrohr 27 speist die übrigen Zylinder der Maschine über (nicht gezeigte) Stutzen mit dem Luft-Brennstoffgemisch.

Beim Anlassen der Maschine wird Luft durch das Hauptsaugrohr 3 angesaugt und über die Düse 8 Benzin in den Luftstrom zerstäubt. Das entstehende primäre Luft-Brennstoffgemisch strömt durch das Leitungsteil 4- und den Einlaß 3 abwärts in die Mischkammer 6 und anschließend nach Umkehr der Strömungsrichtung aufwärts durch den Auslaß Ί5- -Die durch die Umkehr der Strömungsrichtung entstehende starke Turbulenz bewirkt eine homogene Durchmisehung des Luftbrennst off gemischs.

In der dargestellten und beschriebenen Ausführung strömt das Luft-Brennstoffgemisch zunächst abwärts und anschließend nach Umkehr der Strömungsrichtung 'aufwärts. Me Umkehr der Strömungsrichtung ist auch in der Weise erziel— bar, daß das Luft-Brennstoffgemisch von einem Steigstromvergaser von unten her in eine Mischkammer eintritt und nach inniger Durchmischung abwärts in den Ansaugkrümmer strömt. Anderenfalls kann auch ein Querstromvergaser mit im wesentlichen waagerecht verlaufender Durchströmungsrichtung verwendet werden. Das Wesentliche ist in jedem Falle, daß das Luft-Brennstoffgemisch in einer ersten Richtung in die Mischkammer einströmt und daß entlang dem in der Kammer gebildeten Strömungsweg eine volle Umkehrung der Strömungsrichtung stattfindet.

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Die Abmessungen der Mischkammer können innerhalb eines gewissen Bereichs beliebig groß sein. Das Volumen der Kammer beträgt beispielsweise etwa 1 bis 10% des Hubraums der Brennkraftmaschine. Die besten Ergebnisse sind mit einer Mischkammer erzielbar, deren Volumen gleich etwa 3 bis 6% des Hubraums ist. In einer solchen Ausführung ergibt sich durch die Mischkammer und die zusätzlich dafür vorgesehenen Leitungsteile eine Volumenvergrößerung des ursprünglichen Ansaugsystems um etwa 10 bis 20%.

Das primäre Luft-Brennstoffgemisch strömt durch den Auslaß 15 aufwärts in den Innenraum 16 des Ansaugkrümmers 2, und wird dann über das vorwärts und rückwärts verlaufende Verteilerrohr 27 und die seitlichen Stutzen 28 den einzelnen Ansaugkanälen 25 zugeführt.

Bei erhöhter Belastung der Brennkraftmaschine öffnet sich die Drosselklappe 22 des Zusatzsaugrohrs 20, so daß zusätzliches Luft-Brennstoffgemisch über den Durchlaß 21 abwärts in den Innenraum 16 des Ansaugkrümmers 2 strömt. In bezug auf die Längsrichtung des Verteilerrohrs 27 liegt der Durchlaß 21 vorzugsweise an der gleichen Stelle wie der Auslaß 15· In Fig. 1 ist der Durchlaß 21 genau gegenüber dem Auslaß 15 angeordnet, so daß den Auslaß aufwärts durchströmendes Luft-Brennstoffgemisch im gegenstrom auf eine über den Durchlaß 21 zugeführte Strömung . trifft. Daraus ergibt sich bei erhöhter Belastung, d.h. also bei geöffneter Zusatzdrosselklappe 22 eine verbesserte Durchmischung. Im Leerlauf und bei niedrigen Drehzahlen

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kann an der geschlossenen Zusatzdrosselklappe 22 vorüber einströmende Luft nicht zu unausgeglichenen Gemischverhältnissen im vorderen und hinteren Teil des Verteilerrohrs führen.

In Fig. 3 bis 5 ist die Verwendung der Gemischaufbereitungsanlage an einem mehrzylindrigen V-Motor gezeigt. Ein vier Saugrohre aufweisender Vergaser 30 ist direkt auf einen Ansaugkrümmer 31 aufgesetzt, welcher zwei jeweils mit den Ansaugkanälen einer Hälfte der Zylinder des Motors verbundene Verteilerrohre 32, 33 aufweist. Die Hauptsaugröhre 34, 35 des Vergasers sind über eine abwärts führende, T-förmige Verbindungsleitung 36 mit dem Einlaß 37 einer Mischkammer 38 verbunden. Diese ist in der dargestellten Ausführung als geschlossener, rechteckiger Easten ausgebildet. Die Strömung des Luft-Brennstoffgemischs durch die Haupt saugr öhre 3²I-, 35 ist mittels Drosselklappen 40 bzw. 41 steuerbar. In jedem Saugrohr ist eine Düse zum Zerstäuben von Benzin für die Bildung des Luft-Brennstoffgemische angeordnet.

Die Mischkammer 38 ist über aufwärts gerichtete Auslässe 42, 43 mit den Verteilerrohren 32 bzw. 33 strömungsverbunden. Die Zusatzsaugrohre 45, 46 des Vergasers münden an genau über den Auslässen 42 bzw. 43 liegenden Stellen über Durchlässe 47 bzw. 48 in die Verteilerrohr 32 bzw. 33· Die Durchströmung der Zusatzsaugrohre 45, 46 ist mittels Drosselklappen 49 bzw. 50 steuerbar.

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Beim Anlassen des Motors wird Luft durch die Hauptsaugrohre J4-» 35 abwärts angesaugt und dabei über die (nicht gezeigten) Düsen Benzin in den Luftstrom zerstäubt. ,Das dabei entstehende Luft-Brennstoffgemisch strömt über die Verbindungsleitung 36 und den Einlaß 37 in die Kammer 38 und wird dabei innig durchmischt. In der Kammer 38 kehrt sich die Strömungsrichtung des Luft-Brennstoffgemische um, und das Gemisch strömt durch die Auslässe 42, 43 hindurch aufwärts in die Verteilerrohre 32 bzw. 33· Die Verteilerrohre 32, 33 erstrecken sich vorwärts und rückwärts und speisen jeweils eine Hälfte der Zylinder des Motors mit dem Luft-Brennstoffgemisch.

Bei erhöhter Belastung des Motors, etwa beim schnellen Beschleunigen, öffnen sich die Zusatzdrosselklappen 49, 50, so daß zusätzliches Luft-Brennstoffgemisch von den Zusatzsaugrohren 45, 46 über die Durchlässe 47 bzw. 48 in die Verteilerrohre 32 bzw. 33 strömt. Der Zutritt des zusätzlichen Luft-Brennstoffgemischs in die Verteilerrohre 32, 33 erfolgt jeweils genau gegenüber der Stelle, an welcher das primäre Luft-Brennstoffgemisch über die Auslässe 42 bzw. 43 einströmt. Dadurch treffen die beiden Strömungen in den Verteilerrohren 32, 33 im Gegenstrom aufeinander, was die Vermischung von Luft und Brennstoff vieiter verbessert. Da die Durchlässe 47, 48 in Längsrichtung der Verteilerrohre 32 bzw. 33 im wesentlichen in der gleichen Höhe angeordnet sind wie die Auslässe $2 bzw. 43, wird das primäre Luft-Brennstoffgemisch durch bei verringerter Belastung des Motors an den geschlossenen Zusatz-

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drosselklappen vorüber eindringende Luft in beiden Eichtungen der Verteilerrohre 32, 33 gleichmäßig verdünnt, so daß vorwärts und rückwärts ein gleichmäßiges Geinischverhältnis erhalten bleibt.

In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Mischkammer auch ganz oder teilweise im Auspuffkrümmer des Motors angeordnet oder so ausgebildet sein, daß wenigstens ein Teil ihrer Außenfläche in Wärmeaustauschbeziehung mit den Abgasen steht.

Unter Verwendung eines Gemischaufbereitungssystems im wesentlichen der in Pig. 1 und 2 gezeigten Art wurde die Luft/Brennstoffverteilung auf die einzelnen Zylinder an einem Vierzylindermotor von 2,3 1 Hubraum eines Kraftwagens des lord-Modells "Pinto" untersucht. Die Mischkammer hatte ein Volumen von ca. 0,07 1. Das Luft/ /Brennstoffverhältnis wurde im Leerlauf sowie bei IFahrtgeschwindigkeiten von 54- und 80 km/h entsprechenden Drehzahlen an jedem einzelnen Zylinder ermittelt. Im Normalfall wären dabei Unterschiede des Luft/Brennstoffverhältnisses von wenigstens etwa 1 zu erwarten. Tatsächlich wurden folgende Ergebnisse ermittelt:

Luft/Brennstoffverhältnis am Zylinder

1,2 3 4-

Leerlauf 15,1 15,1 15,1 15,1 54 km/h 16,6 16,7 16,5 16,6 80km/h 17,5 17,2 17,2 17,1

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Im Leerlauf war das Luft/brennstoffverhältnis also an allen Zylindern gleich. Selbst bei einer 80 km/h entsprechenden Drehzahl betrug der größte Unterschied nur 0,4. Eine derart gleichmäßige Verteilung ist insofern vorteilhaft, als, wie vorstehend bemerkt, das Gemischverhältnis am mit dem magersten Gemisch gespeisten Zylinder noch groß genug sein muß, um eine sichere Zündung zu gewäh: leisten, da sonst die Verwendung eines mageren Gemischs eher zu einer Zu- als zur Abnahme von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid in den Abgasen führt. Das erfindungsgemäße Gemischaufbereitungssystem ermöglicht also die Verwendung eines sehr mageren Luft-Brennstoffgemischs ohne die Gefahr von Fehlzündungen.

Das in vorstehend beschriebener Weise ausgerüstete Fahrzeug wurde einem Abgastest gemäß den "CVS"-Bestimmungen 1975 der US-Regierung unterworfen. Diese von der Umweltschutzbehörde der US-Regierung aufgestellten Prüfbestimmungen legen die verschiedenen Prüfbedingungen fest, wie Umgebungsluft, Probeentnahme, Fahrtbedingungen einschließlich Geschwindigkeit und Dauer usw. Die Abkürzung "CVS" bedeutet "Constant Volume Samples" (Proben gleichen Volumens). Es wurden die folgenden Werte ermittelt:

_ g/Meile g/km Kohlenwasserstoffe
Kohlenmonoxid

1,1	0,7
10,0	6,2
2,0	1,2

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Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, daß ein Fahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Gemischaufbereitungssystem den in 4-9 der Vereinigten Staaten (Ausnahme: Kalifornien) an im Jahre 1975 verkaufte Fahrzeuge gestellten Anforderungen genügen würde. Dieses Ergebnis ist' dabei ohne die Verwendung von teuren Edelmetall-Katalysatoren für die Abgasentgiftung erzielbar.

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Claims

Patentansprüche:

M. Gemischaufbereitungssystem für eine mit Zündfunken arbeitende Brennkraftmaschine, mit einem Ansaugkrümmer und einem Vergaser, welcher wenigstens ein Hauptsaugrohr zum Erzeugen eines primären Luft/Brennstoffgemisens aus Luft und darin verteiltem Benzin aufweist, gekennzeichnet durch eine Mischkammer, welche einen mit dem Hauptsaugrohr (3) verbundenen Einlaß (5) und einen mit dem Ansaugkrümmer (2) strömungsverbundenen Auslaß (15) hat und einen Strömungsweg mit wenigstens einer vollen Umkehrung der Strömungsrichtung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß bildet.
2. Gemischaufbereitungssystem nach Anspruch 1, bei welchem der Vergaser wenigstens ein Zusatzsaugrohr für die Zufuhr von zusätzlichem Luft-Brennstoffgemisch bei erhöhter Belastung der Brennkraftmaschine aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzsaugrohr (20) an einer mit dem von der Mischkammer (6) zum Ansaugkrümmer (2) führenden Auslaß (15) in Axialrichtung fluchtenden Stelle mit dem Ansaugkrümmer strömungsverbunden ist.
3. Gemischaufbereitungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (6) von einem Mantel (14) umgetenist, welcher Einrichtungen zum Hindurchleiten einer Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine aufweist.

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4. Gemischaufbereitungssystem nach wenigstens einem
der Ansprüche Λ bis 3» bei welchem der Vergaser zwei
Hauptsaugröhre hat und der Ansaugkrümmer zwei Verteilerrohre aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (38) mit beiden Hauptsaugrohren (34, 35) stromungsverbunden ist und zwei Auslässe (42, 43) hat,
deren jeder mit einem Verteilerrohr (32, 33) des Ansaugkrümmers stromungsverbunden ist.

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