DE2831376A1

DE2831376A1 - Auspuffsystem fuer eine pulsierende waermequelle

Info

Publication number: DE2831376A1
Application number: DE19782831376
Authority: DE
Inventors: Louis Andersson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-06-29
Filing date: 1978-07-17
Publication date: 1980-01-17
Also published as: EP0008281A1; WO1980000167A1; JPS55500477A; EP0016116A1

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. ¥eickmann, Dipi.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. R A.¥eickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

DR.ING.H.LISKA 2831376

8000 MÜNCHEN 86, DEN \ 7. JllÜ 1978

POSTFACH 860820

MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 3921/22

Louis Andersson

Götgatan 73

S-116 62 Stockholm

Auspuffsystem für eine pulsierende
Wärmequelle

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AUSPUFFSYSTEM FÜR EINE PULSIERENDE WÄRMEQUELLE

Erfinder: Louis Andersson

Anmelder: Louis Andersson, Götgatan 73j S-II6 62 Stockholm

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Auspuffsystem für eine pulsierende Wärmequelle, insbesondere einen Verbrennungsmotor, gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Hauptpatentanspruches. Die Erfindung ist vor allem für Verbrennungsmotoren vorgesehen, aber kann mit Vorteil auch für Motoren in Fahrzeugen und Flugzeugen oder für ortsfeste Motoren angewendet werden. Im folgenden wird jedoch ein Auspuffsystem für einen Verbrennungsmotor in einem Motorfahrzeug beschrieben.

Der Zweck mit Auspuffsystemen ist wie bekannt, wo gewünscht wird, den Schallpegel bei den von einer pulsierenden Wärmequelle austretenden Abgasen herunterzusetzen. Außerdem wünscht man, daß das Auspuffsystem zur Reinigung der Abgase und Verminderung des Austritts von unverbrannten Resten und schädlichen Produkten beiträgt.

Bekannte Auspuffsysteme lösen diese Probleme nicht auf zufriedenstellende Weise. Sie vermögen somit nicht, gleichzeitig den Schallpegel effektiv zu reduzieren und eine befriedigende Reinigung der Abgase zu geben. Ein Schritt auf dem Wege zu einer solchen Lösung liegt doch in der Ausnutzung des Prinzipes mit stehenden Wellen im Auspuffsystem, wodurch insbesondere die Verbesserung der Schalldämpfung möglich wurde. Ein Beispiel einer solchen Lösung wird in der schweizerischen Patentschrift ^78 335 des Erfinders wiedergegeben.

Dem Erfinder ist es nun durch vorliegende Erfindung gelungen, die durch Amiendung des Prinzipes mit stehenden Wellen erhaltenen Ergebnisse wesentlich zu verbessern. Es wurde dadurch

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ermöglicht, eine Verbesserung von sowohl Schalldämpfung als auch Gasreinigung zu erzielen.

Die Lösung des aufgestellten Problems wird gemäß der Erfindung durch die Maßnahmen erhalten, die im kennzeichnenden Teil des beigefügten Hauptpatentanspruches dargelegt sind.

Nach der Erfindung sollen die Wegstrecken durch die Teilrohre im Auspuffkrümmer des Verbrennungsmotors von den Auslaßventilen zu einem Verbindungspunkt oder einem Anschlußflansch o. dgl. an genanntem Auspuffkrümmer im wesentlichen gleich lang sein. Von diesem Verbindungspunkt setzt ein einziges, gleich dickes Abgasrohr mit einer Innenquerschnitts fläche von 4 oder etwas darunter mal die Querschnittsfläche für einen Abgaskanal im Motor fort. Das Abgasrohr wird mit einer ringförmigen Stirnwand abgeschlossen, in der ein kurzes Innenrohr eingesteckt ist. Die Innenquerschnittsfläche des Innenrohres ist im wesentlichen gleich der Querschnittsfläche für einen Abgaskanal im Motor, und dessen Länge soll im wesentlichen gleich dem Abstand von einem Punkt im Motor etwas unter dem unteren Totpunkt für einen Kolben in einem Zylinder zu dem genannten Verbindungspunkt für die Teilrohre im Auspuffkrümmer sein. Es ist somit zu beachten, daß das Auspuffsystem an genanntem Punkt unter dem unteren Totpunkt für einen Kolben zu beginnen gerechnet, und daß dessen Schlußende vom Außenende des Innenrohres gebildet wird.

Von Bedeutung ist nach der Erfindung, daß das Auspuffsystem so bemessen wird, daß drei distinkte stehende Wellen in diesem gebildet v/erden. Durch die Verbrennung in den Zylindern und durch die Ejektorwirkung bei den Auslaßventilen und beim Verbindungspunkt zwischen den Teilrohren im Auspuffkrümmer entsteht eine Unterdruckwelle, die abgestimmt wird, mit einer ganzen Anzahl Halbperioden eine stehende Welle zwischen dem Punkt etvras unter dem unteren Totpunkt für einen Kolben in einem Zylinder im Motor und dem Innenende des Innenrohres zu

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bilden. Aufgrund des VerbrennungsVerlaufes im Motor wird bei den Auslaßventilen eine rotierende Gaswelle erzeugt, die abgestimmt wird, mit einer ganzen Anzahl Perioden eine stehende Welle zwischen den Auslaßventilen und der Innenseite der Stirnwand des Abgasrohres zu bilden, wobei bei den Enden der stehenden Welle Schwingungsbauchpunkte gebildet werden sollen. Diese Gaswelle dient zum Vorwärtstreiben des Gases im Auspuffsystem. Schließlich wird eine stehende Schallwelle im Auspuffsystem zwischen den Auslaßventilen des Motors und der Innenseite der Stirnwand des Abgasrohres erzeugt, welche Welle am inneren Ende des Innenrohres einen Schwingungsknotenpunkt haben soll.

Mit einen derartig ausgebildeten Auspuffsystem werden die gegewünschten Vorteile gewonnen. Diese können als auf folgende Weise entstehend angesehen werden:

Aufgrund der Ejektorwirkung, die beim öffnen des Auslaßventiles und beim Übergang von den Teilrohren des Auspuffkrümmers zum Abgasrohr erhalten wird, werden die Abgase von jedem Zylinder im Motor sehr effektiv herausgesaugt. Da das Abgasrohr aufgrund der vorgenommenen Abstimmung keinen Widerstand für die Abgase bietet, wird jeder Zylinder unter Einwirkung eines Vakuums, das von genannter Ejektorwirkung erzeugt wird, vollständig entleert. Dieses Vakuum wird während des ganzen Arbeitsverlaufes des Auslaßventiles tätig sein. Dadurch wird die anschließende Füllung der Zylinder gefördert, wenn die Einlaßventile geöffnet werden. Man erhält einen im Verhältnis zu früher bekannten Motoren erhöhten Füllungsgrad. Die den Zylindern zugeführte Brennstoffmenge wird der in der zugeführten Luft befindlichen Sauerstoffmenge fast ganz entsprechen. Eine Überdosierung des Brennstoffes zur Kühlung des Verbrennungsraumes, wie früher gewöhnlich war, kommt nicht länger vor. Da der Zylinder beim Schließen des Auslaßventiles einen Unterdruck hat (ca. 0,5 atü), wird außerdem ohne diejenige Verzögerung eine Füllung erhalten, die früher aufgrund des im Zylinder herrschenden Überdruckes (ca. 4 atü) entstand. Da im Zylinder bei der erneuten Füllung

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keine Abgasreste übrig sind, und da das zugeführte Brennstoffgemisch somit nahezu ideal wird, erhält man, und kann man auch zulassen, eine höhere Verbrennungstemperatur (125O°C gegenüber früher 890⁰C). Man erzielt eine vollständige Verbrennung und erhält somit-keinen Ruß, kein Kohlenoxyd, keine Stickstoffoxyde, keine nitrösen Gase und auch keinen Wasserdampf. Dies ist zum Vorteil, weil beispielsweise kein Absetzen von Ruß in Zylindern- und auf Zündkerzen erhalten und kein Wasserdampf dem Auspuffsystem zugeführt wird.

Das auftretende Vakuum bei der Heraussaugung trägt zu schneller Kühlung der Wände des Verbrennungsraumes (auf ca. 700⁰C) bei, was eine der Erklärungen dafür ist, daß die höhere Verbrennungstemperatur zugelassen werden kann. Der Unterdruck ergibt auch, wie erwähnt, eine bessere Füllung, und die nach der Verbrennung erhaltene niedrigere Temperatur im Zylinder ergibt eine bessere Komprimierung des neu zugeführten Brennstoffgemisches.

Der genannte Unterdruck wird von dem abgestimmten Auspuffsystem verursacht. Dadurch wird die Unterdruckwelle gezwungen, bereits von einem Punkt unterhalb des unteren Totpunktes für den Kolben zu wirken. Das Auspuffsystem wird aufgrund der besseren Entleerung, der besseren Füllung mit korrekt angepaßtem Brennstoff-Luftgemisch und der vollständigeren Verbrennung lediglich reine Abgase empfangen, die keine meßbaren Mengen von lästigen Gasen, wie Kohlenoxyd und nitröse Gase, oder von Wasserdampf haben. Nur die im Brennstoff enthaltenen Bleiverunreinigungen, wie Bleitetraäthyl, werden durch das Auspuffsystem weiter transportiert, wo sie auf der Innenseite des Abgasrohres aufgrund der Rotation der Abgase abgesetzt werden.

Ein Motor mit dem neuen Auspuffsystem ergibt eine erhöhte Leistung, die auf die zusammenwirkenden, oben angedeuteten Ursachen zurückzuführen ist. Dazu trägt die vollständigere, heißere Verbrennung in den Zylindern bei, die einen höheren Kolbendruck ermöglicht . Die Verbrennung wird ganz abgeschlos-

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sen, bevor der Kolben seine untere Kolbenlage erreicht hat. Ferner wird der Brennstoff vollständiger ausgenutzt. Es werden keine Abgasreste vorhanden sein, die Wärme ableiten können, weder in den Zylindern noch im Abgasrohr. Eine wichtige Ursache ist, -daß das Auspuffsystem mit einem saugenden Unterdruck arbeitet, wodurch die günstigen Temperaturverhaltnisse im Zylinder möglich gemacht werden. Dieser Unterdruck trägt auch zur schnellen Kühlung der Abgase bei, und er ist der Grund dafür, daß keine leistungsfordernde Überwindung eines Gegendruckes im Auspuffsystem auftritt. Zusammen geben diese verbesserten Wirkungen eine erhöhte Motorleistung von ca. 30*.

Die sehr gute Schalldämpfung wird aufgrund dessen erzielt, daß der Unterdruck im Auspuffsystem schlechter Schall leitet, und daß keine unverbrannten, schalleitenden Gasreste vorkommen können, und aufgrund dessen, daß die stehende Schallwelle am inneren Ende des Innenrohres' dort einen Schviingungsknotenpunkt besitzt, ViO die Abgase aus dem Auspuff system hinauspassieren. Gleichzeitig hat die Geschwindigkeit der stehenden Gaswelle gerade vor dem genannten inneren Ende des Innenrohres einen Maximalpunkt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren auf den beigefügten Zeichnungen näher erklärt. Auf diesen zeigt Fig. 1 schematisch einen Verbrennungsmotor mit Auspuffkrümmer von den Auslaßventilen und mit einem an den Auspuffkrümmer angeschlossenen Abgasrohr, gemäß der Erfindung. Fig. 2 zeigt das Auspuffsystem noch weiter schematisiert. Fig. 5-5 zeigen die für das Auspuffsystem gemäß der Erfindung charakteristischen stehenden Wellen. Fig. 3 gibt somit eine stehende Unterdruckwelle für die Abgase im System wieder, Fig. 4 eine stehende rotierende Gaswelle zum Transport der Abgase im System und Fig. 5 eine stehende Schallwelle im System. Fig. 6-8 zeigen das Auspuffsystem mit den drei stehenden Wellen, in stark schematischer Darstellung.

Ein Teil eines Verbrennungsmotors 1 wird schematisch in Perspek-

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tive mit Durchschnitt durch einen Zylinder 2 gezeigt. Der Motor kann eine beliebige Anzahl Zylinder haben, und es liegt keine Begrenzung auf die beiden mit durchgezogenen Linien angedeuteten Zylinder und den mit gestrichelten Linien angedeuteten dritten Zylinder vor. Normal hat der Motor vier oder, sechs Zylinder. Jeder Zylinder besitzt ein Einlaßventil 3, ein Auslaßventil 4 und einen Kolben 5, der auf herkömmliche Weise mit einer Kurbelwelle 6 über eine Kolbenstange 7 verbunden ist. An jedem Abgaskanal 8 eines Zylinders ist in einem Auspuffkrümmer 10 für den Motor ein Teilrohr 9 angeschlossen. Bei einem Flansch 11 o. dgl. am Auspuffkrümmer ist ein Abgasrohr 12 angeschlossen. Dieses Rohr kann verhältnismäßig dünnwandig sein und auf Wunsch gekrümmt werden, und dessen Länge wird gemäß den von der Erfindung angegebenen Bedingungen abgepaßt. Das Abgasrohr wird mit einer ringförmigen Stirnwand 13 abgeschlossen, in der ein verhältnismäßig kurzes Innenrohr 14 eingesteckt ist. Das Abgasrohr, die Stirnwand und das eine Ende des Innenrohres werden gasdicht miteinander verbunden, z. B. durch Schweißen. Gasaustritt aus dem Abgasrohr 12 wird somit nur durch das Innenrohr 14 .ermöglicht." Falls erforderlich, können geeignete Stützen zwischen dem inneren Ende 15 des Innenrohres und der inneren Mantelfläche des umgebenden Abgasrohres 12 angeordnet werden. An der äußeren Mantelfläche des letztgenannten Rohres können zur Aufhängung des Auspuffsystems unter dem Motorfahrzeug ein oder mehrere Befestigungsmittel angebracht sein. Die Bemessung des Innenrohres erfolgt auch nach den gemäß der Erfindung aufgestellten Bedingungen.

In Fig. 2 ist das Aufpuffsystem noch weiter schematisiert, um die Erklärung der Wirkungsweise der Erfindung zu erleichtern. Man findet von links den Kolben 5 des Motors, das Auslaßventil 4, die Teilrohre 9 im Auspuffkrümmer, den Verbindungspunkt 11 (den Flansch) zwischen Auspuffkrümmer und Abgasrohr, das Abgasrohr 12, das Innenrohr 14 und die Stirnwand 13 am freien Ende des Abgasrohres.

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Die Bezeichnungen unter Fig. 2 geben Bezugspunkte für die Beschreibung der Schwingungswellen im Aufpuffsystem an. Somit gibt Punkt 16 den Punkt an, der als etwas unter dom unteren Totpunkt für den Kolben 5 liegend angegeben ist. Der Punkt 17 gibt den Ventilsitz 17 für eines der Auslaßventile -4 an. Der Punkt l8 nennt den Verbindungspunkt zwischen den Teilrohren 9 im Auspuffkrümmer 10, d. h. in der Hauptsache den Verbindungsflansch 11. Der Punkt 15 gibt fortwährend das freie innere Ende des Innenrohres 14 wieder,und Punkt 13 bezeichnet gemäß oben das freie Stirnwandende des Abgasrohres.

In Fig. 3 wird ein Diagramm über den Gasdruck im Auspuffsystem wiedergegeben als Funktion von dessen Länge. Die Kurve bezeichnet eine Unterdruckkurve und zeigt deren Verlauf von einem Ausgangspunkt 16 mit in der Hauptsache Atmosphärendruck, der sich beim genannten Punkt unter dem unteren Totpunkt für den Kolben 5 befindet, zu einem gezeigten Endpunkt 15, der am inneren Ende des Innenrohres liegt. Der Abstand zwischen dem Ausgangspunkt 16 und dem Endpunkt 15 wird so gewählt, daß eine stehende Welle auftritt, die an den Endpunkten.Schwingungsknotenpunkte haben soll. Gemäß Gasströmungsgesetzen erhält die Kurve in Hauptzügen den gezeigten Verlauf, mit einer sog. Totzone an der Mittenpartie. Am Anfang und Ende der Kurve erhält man einen markierten Unterdruck, der durch die Ejektorwirkung bei den Auslaßventilen 4 und beim Verbindungspunkt am Flansch 11 entsteht und der nach genannter Totzone periodisch wiederholt wird.

Zum Vorwärtstreiben des Gases durch das Abgasrohr 12 wird gemäß Fig. 4 eine stehende Gaswelle angeordnet, deren Geschwindigkeitsverlauf als Funktion der Länge des Auspuffsystems von der gezeigten periodischen Kurve wiedergegeben wird. Diese soll einen Schwingungsbauchpunkt am Anfangspunkt 17 haben, entsprechend den wellenerzeugenden Auslaßventilen 4, und einen Schwingungsbauchpunkt am Schlußpunkt, an der Stirnwand 12 des

Abgasrohres. Durch Abstimmung des Stehenden-Wellenverlaufes kann man erreichen, daß die Abgase erforderliche Ausströmungsgeschwindigkeit erhalten, insbesondere am inneren"Ende 15 des Innenrohres 14. Dies indikiert die Bedeutung des eingesetzten Innenrohres j-das eine Länge haben soll, die im wesentlichen dem Abstand zwischen den Punkten 16 und 18, definiert gemäß Fig. 2, entspricht, und dessen Querschnittsfläche im wesentlichen der Querschnittsfläche eines Abgaskanals im Motorblock entsprechen soll. Die zusammengefaßte Wirkung der Kurven gemäß Fig. 3 und 4 ergibt den oben beschriebenen günstigen Gasströmungsverlauf.

Ein sehr niedriger Schallpegel wird mit dem neuen Auspuffsystem und der Kurve gemäß Fig. 5 erzielt, die Schallstärke als Funktion von Länge des Auspuffsystems wiedergibt. Auch diese Kurve gibt eine stehende Welle wieder, die abgestimmt wird, zwischen den Punkten 17, d. h. den schallerzeugenden Auslaßventilen 4, und dem Punkt 13, d. h. der Stirnwand 13 des Abgasrohres, ausgebildet zu werden, und so, daß am Punkt 15, d. h. am inneren Ende 15 des Innenrohres, ein Schwingungsknotenpunkt erhalten wird. Die Welle wird an der Stirnwand 13 des Abgasrohres reflektiert und passiert denselben Punkt, wo das aus dem Innenrohr austretende Gas die niedrigste Schallstärke hat.

Die so beschriebenen stehenden Wellen, die Unterdruckwelle des Gases und dessen Vortreibungswelle und die Schallwelle werden noch einmal je für sich in dem neuen Auspuffsystem in Fig. 6-8 gezeigt. In diesen Figuren wird ein Auspuffsystem mit dem Kolben 5, dem Auslaßventil 4, Teilrohren 9 im Auspuffkrümmer, dem Abgasrohr 12, dem Innenrohr 14 und der Endstirnwand 13 schematisch wiedergegeben. Unter jeder Figur werden die früher genannten Bezugspunkte angegeben. Der Verbindungspunkt zwischen "dem Auspuffkrümmer und dem Abgasrohr wird von einem Flansch 18 dargestellt. In Fig. 6 wird die Unterdruckwelle mit deren Angriffspunkt etwas unter dem in seiner unteren Totpunktlage gezeigten Kolben 5 gezeigt. In Fig. 7 wird die vorwärts-

treibende Gaswelle zwischen dem Auslaßventil 4 und der Endstirnwand 13 gezeigt. In Fig. 8 wird zwischen dem Auslaßventil 4 und der Endstirnwand mit dem Schwingungsknotenpunkt am inneren Ende 15 des Innenrohres 14 die Schallwelle wiedergegeben.

Das neue Auspuffsystem wurde experimentell ausgeprobt, und dabei sind die oben angegebenen guten Eigenschaften vollauf bestätigt worden. Dabei ist hervorgekommen, daß die entstehenden Wellen im wesentlichen das gezeigte und beschriebene Aussehen haben. Die dahinterliegende Theorie für den Verlauf der Kurven ist sehr kompliziert, weshalb es experimentell erhaltene Ergebnisse sind, die hier dargelegt wurden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

. Auspuff system für eine pulsierende Wärmequelle, insbesondere einen Verbrennungsmotor, unter Ausnutzung von stehenden Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß:

A. die im-Auspuffkrümmer des Motors enthaltenen Teilrohre von jedem Auslaßventil eines Zylinders zu einem Verbindungspunkt für sämtliche Teilrohre der Zylinder im wesentlichen gleiche Länge und gleiche Innenquerschnittsfläche haben;

B. ein Abgasrohr mit einer Innenquerschnittsfläche, die'im wesentlichen gleich der Querschnittsfläche für einen Abgaskanal im Motorblock multipliziert mit ca. h ist, am Verbindungspunkt der Teilrohre beginnt; C. das Abgasrohr mit einer ringförmigen Stirnwand abgeschlossen ist, in die ein in das Abgasrohr eingestecktes, im wesentlichen konzentrisches Innenrohr mit kleinerem Durchmesser mündet; D. die Länge des Innenrohres im Abgasrohr im wesentlichen gleich dem Abstand von einem Punkt etwas unter dem unteren Totpunkt für einen Kolben im Motor zu dem Verbindungspunkt für die Teilrohre im Auspuffkrümmer ist; E. die Länge des Auspuffsystems gleich dem Abstand von dem Punkt etwas unter dem unteren Totpunkt für einen Kolben im Motor zu dem inneren Ende des Innenrohres plus die Länge des Innenrohres ist;

P. eine stehende Unterdruckwelle, die von der Verbrennung in den Zylindern und der Ejektorwirkung bei den Auslaßventilen und am Verbindungspunkt für die Teilrohre im Auspuffkrümmer erzeugt wird, angebracht ist, zwischen den Endpunkten für genannten Abstand dadurch zu wirken, daß dieser gewählt ist, einer Ganzzahlvielfachen von Halbperiodenlängen für die Unterdruckwelle zu entsprechen, so daß diese an den genannten Endpunkten Schwingungsknotenpunkte erhält; G. eine stehende, rotierende Gaswelle, die durch den Verbrennungsverlauf im Motor entsteht, zwischen den Auslaßventilen und der Innenseite der ringförmigen Stirnwand des Abgasrohres erzeugt wird und eine ganze Anzahl Schwingungswellen mit Schwingungsbauchpunkten bei den Auslaßventilen

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und an der Stirnwand enthält und dazu dient, das Gas in der stehenden Unterdruckwelle, und dadurch in dem Auspuffsystem, vorwärtszutreiben; H. eine stehende Schallwelle im Auspuffsystem zwischen den Auslaßventilen des Motors und der Innenseite der -ringförmigen Stirnwand des Abgasrohres erzeugt wird und einen Schwingungsknotenpunkt am inneren Ende des Innenrohres hat.
2. Auspuffsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Innenquerschnittsfläche des Innenrohres im wesentlichen genauso groß ist wie die Querschnittsfläche für einen Abgaskanal im Motorblock.

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