DE3246218A1

DE3246218A1 - Verfahren und vorrichtung zum verbessern des leistungsvermoegens und des wirkungsgrads eines verbrennungsmotors sowie zum verringern der von ihm bewirkten verschmutzungslast

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Publication number: DE3246218A1
Application number: DE19823246218
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Kaari kauko dipl-Ing
Current assignee: Kaari kauko dipl-Ing
Priority date: 1982-12-14
Filing date: 1982-12-14
Publication date: 1984-06-14
Also published as: IT8349506A0; IT1170588B; FR2537650B1; FR2537650A1; DK569583D0; DK569583A

Description

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Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern des Leistungsvermögens und des Wirkungsgrads eines Verbrennungsmotors sowie zum Verringern der von ihm bewirkten Verschmutzungslast

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern des Leistungsvermögens und des Wirkungsgrads eines Verbrennungsmotors sowie zum Verringern der von ihm bewirkten Verschmutzungslast durch Verbessern dee darin stattfindenden Verbrennungsprozesses durch Fördern des Durchströmen3 des Restgases im Motor mit Hilfe eines an die Auspuffleitung angeschlossenen Rohrs und eines oder mehrerer Boostertöpfe in dessen Portsetzung und eines oder mehrerer Schalldämpfertöpfe in deren Fortsetzung sowie eine Vorrichtung zum Durchführen,des Verfahrens.

Im Rahmen der Gegenwartstechnik ist der wirtschaftliche Wirkungsgrad des Ottomotors sehr schlecht besonders bei Teillast, wie z.B. bei üblichem Fahren im Verkehr, und zwar ist dies laut vorherrschender Auffassung in erster Linie auf den verhältnismäßig .hohen Einfluß der mechanischen Verluste zurückzuführen. Diese Erklärung ist jedoch nicht befriedigend, denn wenn man einen Dieselmotor und einen Ottomotor mit gleicher Leistung untereinander vergleicht, stellt man fest, daß gerade bei Teillast der Dieselmotor einen entscheidend besseren wirtschaftlichen Wirkungsgrad hat. Indem beim Dieselmotor die Reibungsflächen infolge der größeren Kolbenverdrängung größer und die beweglichen Teile massiver sind, kann die Unterlegenheit des Ottomotors nicht auf die Wirkung der mechanischen Verluste zurückzuführen sein.

Ausgeführte Untersuchung hat in der Tat ergeben, daß der schlechte Wirkungsgrad des Ottomotors bei Teillast in entscheidendem Grad daher rührt, daß die Verbrannungsgeschwindigkeit der Ansaugfüllung im Zylinder durch ihre Beschaffenheit und ihren niedrigen Kompressionsdruck deutlich geringer als im Ottomotor bei starker Belastung ist. Dies geht z.B. aus dem bei 20 % Last aufgenommenen Druckdiagramra (n * 2000r/min) hervor, wo man für den rechnerischen Wert des

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polytropan Exponenten im Mittel- und Endabschnitt des Arbeitstakts annähernd den rfert 1 findet. Dies beweist, daß die Temperatur des Gases ungeachtet der Expansion und der Wärmeverluste nahezu konstant geblieben ist, womit also der Prozeß durch den ganzen Arbeitstakt hindurch Wärmeenergie aufgenommen hat, d.h. die Verbrennung ist durch den ganzen Arbeitstakt hindurch mit großer Starice weitergegangen. Der Wirkungsgrad ist hierbei durchaus ein schlechter, denn je später die Phase,, in der die Bindungsenergie der Treibflüssigkeit vermittels der Verbrennung in Druckenergie umgesetzt wird, einen umso geringeren Bruchteil davon vermag der Kolben in mechanische Arbeit umzusetzen.

Eines der dringendsten Probleme im Augenblick ist auch die vom Kraftwagenverkehr bewirkte Verschmutzungslast. Diese zerfällt in eine Vielzahl von Komponenten - Blei, Äthylbromid, Kohlenmonoxid, die Oxyde des Stickstoffs, unverbrannte Kohlenwasserstoffe eowie Kohlenstoff in Form von Ruß u.a.m. Obgleich solche Problemlösungen zugreifbar sind, mit denen man die Gehalte der verschiedenen -Komponenten im Auspuffgas merklich herabsetzen kann, spielt bei diesen als entscheidender Nachteil ihr deutlich verschlechternder Einfluß auf die TreibstoffÖkonomie des Motors mit. Derselbe ist entweder mittelbar oder unmittelbar und er verschlechtert die Verbrennungseigenschaften der Ansaugfüllung oder auch die Verhältnisse, unter denen die Verbrennung erfolgt. Die negative Einwirkung auf die Energiewirtschaft und auf die Produktionskosten sind in der Tat der Grund dazu, daß diese Lösungen vorwiegend dort angewandt werden, wo der kritische Stand des Umweltproblems dazu zwingt.

Auch das Klopfphänomen besitzt zentrale Bedeutung, denn es verhindert das Erhöhen des Kompressionsverhältnisses in fühlbarem Grad vom gegenwärtigen Niveau, was ansonsten der einfachste Aeg zum Effektivieren des Verbrennungsprozesses und damit zum Verbessern des Wirkungsgrads des Motors als Folge des gesteigerten Kompressionsdrucks wäre.Die Klopferscheinung verhindert außerdem jede beträchtliche Minderung der Oktanzahl der Benzinsorten von dem geganwärtigen Stand ohne entsprechende Herabsetzung der Kompressionsverhältnisse in den Motoren, was deren Treibstoffökonomie

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fühlbar beeinträchtigen würde. Die Klopferscheinung vermehrt also wesentlich die Probleme, die das Übergehen zu bleifreien Benzinsorten herbeiführt.

Was die Personenkraftwagen anbelangt, so ist festzustellen, daß man im Entwurf der Auspuffsysteme für Serienwagen dem Betrag und Charakter des von denselben hervorgerufenen Gegendrucks nicht genügend Beachtung geschenkt hat; dies hat offensichtlich seinen Grund darin, daß dieser Druck im Vergleich mit dem effektiven Durchschnittsdruck des Motors gering ist. Im Entwurf der Schalldämpfer hat denn auch das Hauptaugenmerk einem guten Dämpfungsvermögen gegolten, und deshalb werden allgemein nach dem 30g. Impedanzprinzip arbeitende Dämpfer eingesetzt, in denen effektive Schalldämpfung hauptsächlich vermittels schroffer Veränderungen im Querschnitt desjenigen Kanals erzielt wird, in dem die Abgasströmung zu ihrem Hauptteil stattfindet. Eine schroffe Änderung im Querschnitt des Kanals bewirkt abrupte Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases und, wie aus der Formel von Carnot-Borda ersichtlich ist, hängt der Betrag des so entstehenden Stoßverlusta vom Zahlenwert desjenigen Koeffizienten ab, der den Betrag der Querschnitts- änderung angibt. Indem die gemäß der die Schalldämpfung in dB angebenden Formel erreichte Dämpfung vom gleichen Koeffizienten abhängig ist, kann man in der Tat sagen, daß die Dämpfung umso effektiver ist»je höher die Stoßverlu3te. Der in Verbindung mit dem Stoßverlust auftretende Druckstoß verursacht auch mit Leichtigkeit Vibrationserscheinungen im Mantel des Dämpfers sowie einen Schalleffekt im Anschluß daran, weshalb man in diesen Dämpfern denn auch allgemein einen doppelten Mantel und dazwischen noch eine absorbierende Schicht verwendet.

30Der Charakter der Abgasströmung hat eine zentrale tfirkung auf das Obengesagte. Wenn sich das Auspuffventil öffnet, strömt las Jas infolge de3. hohen Druckverhältnisses zu Beginn mit kritischer Geschwindigkeit in die Auspuffleitung hinein und von dort weiter im Verbindungsrohr mit hoher Geschwindigkeit auf den Dämpfer

35zu. Dabei prallt das Gas gegen das bereits zuvor sowohl in der Auspuffleitung als auch im Verbindungsrohr vorhandene Gas mit der

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Folge einer Gasverdichtung, d.h. eines Druckanstiegs und Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit, womit also andauernd ein zunehmender Teil der im Gas enthaltenen Bewegungsenergie in Druckenergie umgesetzt wird. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der derart entstandenen Druckwelle ebensojwie auch der darin herrschende Druck ist von den momentanen Verhältnissen abhängig, und man kann die Druckwelle hinsichtlich ihres Charakters nicht den Schallwellen gleichstellen. Infolge der hohen Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druckwelle sind die Stoßverluste bei ihrem Hinströmen in einen nach dem Impedanzprinzip arbeitenden Dämpferjhech.AcJdiese schließt sich ein kräftiger Druckanstieg an der Einströmstelle an, der das Zurücks trömen des Gases, d.h. eine teilweise Reflexion der Druckwelle, herbeiführt. Diese Erscheinung, deren Auftreten auch im Zusammenhang mit anderen Untersuchungen wahrgenommen wurde, sowie der verlangsamende Einfluß der Stoßverluste auf das Durchströmen des Gases bewirken, daß im Falle herkömmlicher Auspuffsystem-Konstruktionen sowohl in der Auspuffleitung als auch im Verbrennungsraum des seinen Ansaugtakt beginnenden Zylinders im Augenblick des Öffnens des Einlaßventils ein beträchtlicher, auf die Arbeitsweise des Motors negativ einwirkender Gegendruck bereits bei leichter Motorbelastung vorhanden ist.

Da als grundlegende Ursache sowohl für den schlechten Wirkungsgrad als auch für die überreiche Schadstoffbildung der allzu langsame

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und unvollkomene Verbrennungsprozeß sowie die Verwendung von Zusatzetoffen im Benzin anzusprechen 3ind, wäre es konsequent, das Ausarbeiten einer solchen Lösung anzustreben, die die Verbrennungseigenschaften der Ansaugfüllung im Zylinder verbessern und durch Verbesserung.des Verbrennungsprozesses sowohl die Gestalt des Druckdiagramms als auch den wirtschaftlichen Wirkungsgrad des Motors verbessern würde.

Die ausgeführte Untersuchung, der 3ich auch ausgedehnte Versuchstätigkeit unter Verhältnissen der Praxis anschloß ., hat dies in der Tat als technisch möglich herausgestellt, und zwar dazu in solcher Form, daß die Klopfneigung des Motors entscheidend abnimmt und im Bereich der heutzutage angewandten Korapressionsverhältnisse einen

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Übergang zu dem Oktanbereich möglich macht, den die gegenwärtigen Benzinaorten ohne Bleizusatz vertreten.

Eine zentrale Stellung nahm hierbei die Einsicht ein, daß bei Anwendung der herkömmlichen Auspuffsystem-Konstruktion beim Öffnen des Anaaugventils eine kräftige Strömung von Restgas aus dem Verbrennungsraum im Zylinder in die Ansaugleitung hinein eintritt, die in entscheidender Weise die relative Menge von Restgas erhöht, dia der vom Zylinder hiernach erhaltenen Ansaugfüllung beigemischt ist. Das Vorhandensein dieser Strömung ist experimentell erhärtet, und

'O zwar ist die in die Ansaugleitung hierbei einströmende Restgasmenge abhängig vom bestehenden Druckunterschied sowie von der Länge der Zeitspanne vom Öffnen des Ansaugventils bis sich das Auspuffventil schließt. Das Restgas, das der Ansaugfüllung beigemischt wird, verschlechtert deren Verbrennungseigenschaften, damit den Verbrennungsprozeß und den daraus folgenden Druckanstieg während des Arbeitstakts verlangsamend, wodurch der Betrag der Arbeitsausbeute vermindert und somit sowohl das Leistungsvermögen als auch der wirtschaftliche Wirkungsgrad des Motors verschlechtert wird. Zugleich wachsen auch die Gehalte der unverbrannten oder teilweise verbrannten Bestandteile wie z.B. CO im Auspuffgas.

Das Restgas erhöht infolge seiner hohen Temperatur auch merklich die Temperatur der Ansaugfüllung, wodurch der thermische Wirkungsgrad beeinträchtigt und die jedem Motor eigene Klopfneigung bedeutend gesteigert wird. Der Einfluß, den die Temperatur der Ansaugfüllung auf die Klopfneigung des Motors hat, rührt daher, daß die Dauer desjenigen Zeitintervalls - die sog. Induktionszeit verstreicht, bis in der Füllung, die die Zündtemperatur erreicht hat, der fürKlopferscheinungen kennzeichnende explosive Verbrennungsprozeß einsetzt, außer von der Oktanzahl des Benzine und von dem Druck am Ende der Kompression i_n der Füllung ferner in entscheidendem Maß von der zu diesem Zeitpunkt in der Füllung bestehenden Temperatur abhängig ist. Aus den im Schrifttum dargelegten Kurventafeln (Jost, Teichminn, Tizard u.a.m.) kann man außerdem ersehen, daß eine verhältnismäßig geringe Herabsetzung in der besagten Temperatur merklich die Induktionszeit verlängert und damit

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in entscheidender "Weise das Klopfrisiko mindert.

Das Obenstehende kann in der Aussage zusammengefaßt werden, daß die Voraussetzung zu einer fühlbaren Verbesserung des Wirkungsgrads des unter Teillast arbeitenden Ottomotors sowie zu einer wesentlichen Verminderung der vom Motor herbeigeführten Verschmutzunglast das Ausarbeiten einer solchen Problemlösung ist, die die relative Menge des Restgases verringert, das sich der Aneaugfüllung beimischt, dadurch die Verbrennungseigenschaften der Füllung verbessernd und die Klopfneigung des Motors herabsetzend. Das Arbeiten einer solchen Lösung mit voller fiTirkung bedingt jedoch eine Erweiterung des Aufgabenfeldes, das man dem Auspuffsystem stellt, in dem Sinne, daß der der Auspuffleitung am nächsten liegende Teil des Auspuffsystems vermöge einer geeigneten Konstruktionsweise genügend kräftige und zeitgerechte Druckverminderungen in der Auspuffleitung sowie im Verbrennungsraum des Zylinders mit einsetzendem Ansaugtakt herbeiführt und der in dessen Forsetzung liegende Teil genügende Schalldämpfung bewirkt.

Um die Klopfanfälligkeit der verschiedenen Motorausführungen untereinander vergleichen zu können und dadurch die Wirkung der erfindungsgemäßen Lösung aufzuzeigen, wurde in Verbindung mit der

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ausgeführten Unter3uhung die nachstehende Arbeitsformel aufgestellt, die in Verbindung mit herkömmlichen Auspuffsystemkonstruktionen als höchsten rfert der Kennzahl etwa 17,2 angibt, bei der der Motor noch klopffrei arbeitet. Die Kennzahl kann bei Direkteinspritzraotoren etwas höher sein, wo der Benzinstrahl Wärmeenergie bindet und damit die Gemischtemperatur herabsetzt.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Problemlösung, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Hilfe der Konstruktion des Auspuffsystems die Menge des zur Ansaugfüllung des Zylinders beigemischten Restga3es JC vermindert und dadurch die Temperatur der Füllung herabsetzt sowie die Klopfanfälligkeit de3 Ottomotors so herabbringt, daß die Motorwerte beim Einsetzen in der Formel

(¹⁰JL⁺

gn =

ROZ

BAD ORIGiNAi,

AO - ψ - .

wo D * Kolbendurchmesser in am, e = Kompreasionsverhältnia, ROZ =* Oktanzahl des Benzina (Untersuchungswert) und gn = die Klopfanfälligkeit des Motors anzeigende Leitzahl, für die Leitzahl den Vert 18,5 oder höher bei einem Zahlenwert des Kompressionsverhältnisses zwischen 8,0 und 9»5 ergeben, werden die Verbrennungseigenschaften der Zylinderfüllung verbessert, und zwar rührt dies in erster Linie daher, daß relativ betrachtet weniger Restgas mit den Anaaugfüllungen vermischt wird. Dies ist eine Folge des niedrigeren Druckniveaus, das im Öffnung3augenblick des Ansaugventila im Restgaa im Verbrennungsraum des den Ansaugtakt beginnenden Zylinders herrscht, infolgedessen weniger Restgas in die Ansaugleitung fließt und weniger Restgas im Verbrennungsraum verbleibt, wenn sich das Auspuff ventil schließt. Vie man an Hand der Formel und der angegebenen Leitzahl erkennen kann, nimmt hierbei dann die Klopfanfälligkeit des Motors in dem Maße ab, daß man ohne Herabsetzung der Kompressionsverhältnisse in den Motoren von der gegenwärtigen Höhe und ohne Auftreten von Klopfen oder Nachlaufen zu Benzinsorten übergehen kann, deren Oktanzahl 8 bis 10 Einheiten niedriger als die der gegenwärtigen Sorten liegt. Ausgedehnte praktische Versuche haben ia der Tat unstreitbar erwiesen, daß mit einem herkömmlichen Auspuffsystem mit Benzin von 92 bis 96 Oktan laufende Motoren ohne negative Nebenwirkungen Benzinsorten verwenden können, deren Oktanzahl in der Höhe von 84-86 ROZ liegt, und dies eröffnet neue Möglichkeiten zum Übergang zu bleifreien Benzinsorten.

Indem man die thermische, Druck- und kinetische Energie, die in dem Gas enthalten ist, das sich beim Öffnen des Auspuffventils in die Auspuffleitung ergießt, in der erfindungsgemäßen Ausführung mit Hilfe einer geeigneten Auspuffsystem-Konstruktion ausnützt, erzielt man kräftige und so zeitveriegte Druckschwankungen, daß auf die Druckspitze, welche bei Öffnung des Auspuffventils das strömende Gas in der Auspuffleitung erzeugt, unmittelbar eine starke Druckminderung folgt, die bis zur nächsten, von dem sich öffnenden Auspuff ventil bewirkten Druckspitze anhält. Auf diese rfeise fördert man das Ausströmen des Abgases in die Auspuffleitung und von dort

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weiter χα das Auspuffsyatem sowohl aus demjenigen Zylinder, dessen Auspuffventil durch sein Öffnen die Druckspitze hervorruft, als auch aus dem Zylinder, wo während der nach dieser Druckspitze nachfolgenden Druckminderung sowohl das Ansaug- als auch das Auspuffventil beide gleichzeitig offen stehen. Es ist in der Tat experimentell beobachtet worden, daß bei Anwendung der erfindungsgeraäßen Lösung in der Auspuffleitung während der Zeit zwischen den Druckspitzen ein beträchtlich niedrigeres Drückniveau als bei anderen Auspuffsystem-LÖ3ungen besteht.

Zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist an die Auspuffleitung mit Hilfe eines Verbindung3rohrs mit passender Länge ein Topf angesetzt, dessen Konstruktion und Volumen solche sind, daß die von der Druckspitze beschleunigte, in den Topf hineingehende Gasströmung ei-nen möglichst geringen Druckverlust im Rahmen einer solchen Konstruktion verursacht, die im Falle einer schnell pulsierenden Gasströmung die Rückströmung des Gasee genügend verlangsamt. Ein wesentlicher Teil in der Konstruktion ist eine Wirbelkammer, wo durch Einfluß der Plazierung und der Bauart des dort endenden Strömung3kanals eine kräftige Wirbelströmung entsteht, die merklich die Rückströmung des Gases verzögert. Die Entstehung der Wirbelströmung wird mittels Flügeln unterstützt, die sie in ihrer Richtung in der Hauptsache tangential machen und die vermöge ihrer Lage und ihrer Gestaltung die verzögernde Wirkung der Konstruktion auf die Rückströmung des Gases vermehren.

Die erfindungsgemäße Auspuffsystem-Konstruktion arbeitet denn auch im Fall einer pulsierenden Gasströmung derart, daß keine die Reflexion von Druckwellen herbeiführenden Stoßverluste auftreten, ebensowenig wie eine Gasrückströmung, verursacht durch den im Topf eingetretenen Druckanstieg. Dies beruht auf der Bauweise des vom Verbindungsrohr zu der im Topf ausgeformten Wirbelkammer führenden Strömungskanal3 sowie-darauf, daß da3 in der Wirbelkammer eingeströmte Gas an der mit hoher Geschwindigkeit stattfindenden Wirbelströmung teilnimmt. Das aus dem Verbindung3rohr kommende Gas strömt zu Beginn in einen Kanal mit derart sich weitendem Querschnitt, daß die hieraus folgende Expansion die Strömungsgeschwin-

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digkeit dee Gases paseend steigert. Die Bauweise des Kanals bewirkt ferner, daß die Gasströmung sich zu einer Strömung mit ringförmigem Querschnitt ausbildet, deren Außendurchmesser auf das gleiche Maß anwächst, welches der Außendurehraesser der in zu ihrer Fortschreit— richtung senkrechter Ebene stattfindenden Wirbelströmung in der Wirbelkammer hat, die kreisrunden Querschnitt hat. Die Strömungsrichtung des Gases ändert sich anschließend durch Einwirkung der Leitflügel so, daß bei seinem Einströmen in die in der Wirbelkammer herrschende Wirbelströmung der durchschnittliche Betrag des ο

Anstellwinkels 45 ist.

Da fortährend Druckwellen eintreffen, ist auch die von denselben aufrechterhaltene Wirbelströmung dauernd, und die Geschwindigkeit des daran beteiligten Gases ist ungefähr die gleiche wie die durchschnittliche Geschwindigkeit der dort einströmenden pulsierenden Gasströmung, womit also die Strömungsgeschwindigkeit des Gases nur momentan abnimmt, und zwar jeweils dann, wenn die Gasströmung infolge ihrer höheren Geschwindigkeit die Geschwindigkeit der Wirbelströmung beschleunigt. Die hiervon sowie von der Änderung der Strömungsrichtung verursachte Geschwindigkeitsminderung wird jedoch von der Geschwindigkeitszunahme kompensiert, die die vorher erfolgte Expansion hervorrief, und deshalb wird nur ein bedeutungsloser Teil der im Gas enthaltenen Bewegungsenergie in Druckenergie umgewandelt, wenn es aus dem Verbindungsrohr in die Wirbelkammer fließt. Dies hat zur Folge, daß keine Reflexionen von Druckwellen eintreten, wie auch keine Druckstöße und kein von diesen verursachter Schalleffekt zu beobachten sind. Auch der Umstand hat eine wesentliche Bedeutung, daß die ringförmige Gasströmung durch die Wirkung der dicht genug und mit gleichen Zwischenräumen plazierten Leitflügel in die Wirbelströmung hineingeleitet wird.

Diese Flügel verhindern durch ihre Form und ihre Lage dem an der Wirbelströmung teilnehmenden Gas den Zutritt in die zwischen ihnen liegenden Kanäle, und folglich ist nicht Zeit genug für eine Rückst römung während des Zeitintervalls vorhanden, das vom Eintreffen einer Druckwelle bis zum Eintreffen der nächsten .verstreicht.

Wenn der der Auspuffleitung am nächsten liegende Topf in Rede

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steht, der in diesem Zusammenhang al3 Booster topf bezeichnet wird, ist es von höchster Wichtigkeit, daß die Wirbelbewegung mit möglichst geringen Verlusten stattfinden kann und daß die Drosselung der Gasströmung vom der Wirbelkammer zum Ausströmungsrohr nicht durcn die Verlangsamung der Gasströmung einen allzu hohen Druckanstieg in der Wirbelkammer verursacht. Diese Forderungen sind in der erfindungsgemäßen Problemlösung dadurch erfüllt worden, daß der Innenteil des Topfs in der Richtung der Gasströmung in derjenigen Ebene endet, in der die die Wirbelströmung hervorrufenden Flügel sich befinden, womit der einzige die Wirbelströmung verlangsamende Faktor in der Wirbelkammer mit zylindrischer Form und mit mindestens 2 bis 3fachem Volumen im Vergleich mit der Kolbenverdrängung des einzelnen Zylinders die Reibung zwischen der Strömung und der Topfinnenwand ist, und daß die Gasströmung von der Wirbelkammer zum Ausströmung3rohr über ein aus dem Topfende geformtes konisches Verbindungsstück erfolgt.

Aus der Arbeitsweise de3 Boostertopfes folgt, daß nach dem Einströmen in der Wirbelkammer des Gases, das in der Druckwelle enthalten ist, welche die vom Öffnen de3 Auspuffventils herrührende Druckspitze beschleunigt hat, eine kräftige Druckminderung in der Auspuffleitung und infolgedessen auch im Verbrennungsraum des den Ansaugtakt beginnenden Zylinders stattfindet. Die Druckminderung hat ihre Ursache in der Verzögerung der Gasströmung aus dem in der Entleerungsphase stehenden Zylinder sowie in der Abnahme der Temperatur des Gases durch Einfluß der Wände, die kälter als das Gas sind.

In dem vom Boostertopf weiterströmenden Gas ist die Pulsationsamplitude entscheidend geringer als in dem ix! Topf einströmendem Gas, Aber zweckmäßiger ist e3, wenn auch im nächsten Topf der

JO Strömung3icana] gleiche Gtruktar hat und in der im Topf ausgebildeten Wirbelkammer eine Wirbeidtrömung erzeugt. Man kann dann die pulsationsschwächende Wirkung des Topfes passend vermehren, indem man die Gasströmung aus der Wirbelkammer zum Austrittsrohr z.B. durch ein perforiertes Rohr führt, ohne daß die hieraus erwachsende Zunahme des Strömungswiderstands und die größere Drucksteigerung in

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der Wirbellcainmer eine Gasströmung in der Gegenrichtung herbeiführen würde. Dies unter der Voraussetzung, daß das Flächenareal der Perforierung sowie die übrigen konstruktiven Umstände mit Rücksicht auf die Betriebsverhältnis3e de3 Topfes richtig gewählt sind, wobei dann der Topf auch als Schalldämpfer dient. Gleiches gilt auch für einen dritten Topf, den man als wirksamen Schalldämpfer arbeitend einrichten kann, und man kann als dritten Topf auch irgendeine herkömmliche Schalldämpferkonstruktion benutzen, die wegen der relativ schwachen Pulsation der Gasströmung dem Gas keinen über-

^O mäßig hohen Strömungswiderstand mehr entgegensetzt.

Experimentell ist auch festgestellt worden, daß man sowohl den Booster- als auch den Schalldämpfertopf, falls erwünscht, sehr nahe an die Auspuffleitung verlegen kann, ohne daß die Funktion des Auspuffsystems dadurch wesentlich verschlechtert würde. Dies ermöglicht die Heranziehung der erfindungsgemäßen Konstruktion in Verbindung mit einem die Auspuffgase reinigenden Katalysator, der wegen seiner Bauweise und Plazierung in merklichem Maß den in der Auspuffleitung herrschenden durchschnittlichen Gegendruck erhöht. Wenn man zwischen Katalysator und Auspuffleitung einen erfindungsgemäßen Topf einsetzt oder auch am Katalysator eine Vorkammer laut der erfindungsgemäßen Lösung vorsieht, in welche das Gas aus dem Verbindungsrohr einströmt und von dort weiter in den eigentlichen Katalysatorteil strömt, erreicht man eine bedeutende Erniedrigung des mittleren Gegendrucks in der Auspuffleitung.

Zur Veranechaulichung der erfinderischen Lösung stellen in der beigefügten Zeichnung Fig. 1 einen Schalldämpfertopf sowie Fig. 3 einen .Boostertopf im Längsschnitt dar, und aus Fig. 2 geht die Plazierung der Flügel hervor, die die "Wirbelströmung herbeiführen.

In den Figuren bezeichnen: 1 den Rinströmung3kanal, 2 den konischon Sti-omam^kanal zwischen dem Innonkörpar und dem Mantel, ί den im Querschnitt ringförmigen otrömungskan.-il zwischen Innenkörper und Mantel, 4 den Mantel, 5 die Wirbelkammer, 6 die Perforation, 7 eine Trennwand, 8 den konischen Vorderteil des Innenkörpers, 9 den Kanal zwischen dem Innenkörper und dem Ausströmungsrohr, 10 den zylin-

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drischen hinteren Teil des Innenkörpers, 11 den Expansions raum, 12 das Ausströmungsrohr, 13 einen Flügel, 14 einen Stützkörper, 15 das konische Verbindungsstück,

Der Boostertopf Fig. 3 arbeitet wiefolgt.Das Gas strömt mit hoher Geschwindigkeit vom Einströmungskanal 1 in den konischen Kanal 2, dessen Querschnittsfläche in der Strömungsrichtung so zunimmt, daß genügende Expansion stattfindet, d.h. sin Teil der Druckenergie des Gases in Bewegungsenergie umgesetzt wird. Das Gas 3trömt weiter in dem Kanal 3 mit ringförmigem Querschnitt und trifft auf die zwischen dem zylindrischen hinteren Teil 10 des Innenkörpers und dem Mantel 4- eingefügten Flügel 13, welche eine solche Änderung der Strömungsrichtung des Gases bewirken, daß in der Wirbelkammer 5 eine starke tangentiale Wirbelströmung entsteht. Der gleichzeitig eintretende Druckanstieg in der Wirbelkammer 5 beschleunigt die Strömung des Gases durch das konische Verbindungsstück 15 hindurch in das Ausströmungsrohr 12 und zum Auspuffrohr in der Fortsetzung desselben.

Da infolge des pulsierenden Charakters der Gasströmung bei Anwendung einer erfindungsgemäßen Konstruktion auf das erfolgte Sinströmen des Gases in den Boostertopf unmittelbar eine kräftige Druckminderung in der Auspuffleitung und im Verbindungsrohr folgt, bringt d_{er 30} entstandene Druckunterschied eine Rückströmung des Gases aus der Wirbelkammer 5 durch die Kanäle 3, 2 und 1 in das Verbindung3rohr und weiter in die Auspuffleitung hinein hervor« Die Richtung der Wirbelströmung des Gases in der Wirbelkammer 5 und die Plazierung und Stellung der Flügel 13, die dieselbe hervorgerufen haben, verursachen jedoch einen relativ betrachtet hohen Strömungswiderstand in dieser Richtung und derselbe wird durch die Bemessung des Kanals vermehrt, die in dem in dieser Richtung strömenden Gas ein geringe Kompression bewirkt, wobei ein Teil der Bewegungsenergie des Ga3es in Druckenerijie übergeht und die Strömung de3 Ga3e3 verlang3amt. Der Topf wirkt al30 im Falle einer stark pulsierenden Gasströmung und bei einer Dauer der verschiedenen Phasen von nur einigen Millisekunden gewissermaßen als

3^C- Rückschlagventil, das einen Strömungswiderstand mit ausgeprägter

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Richtungswirkung hervorruft.

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Da der Schalldämpfertopf nach dem gleichen Prinzip arbeitet, kann man ihn anstelle des Boostertopfes einsetzen, fall3 der Motor geringe Kolbenverdrüngung hat, während wiederum mit zwei aufeiaanderfolgenden Boostertöpfen die besten Resultate erzielt werden, wenn ein Motor mit großer Kolbenverdrängung vorliegt.

Die Konstruktion ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Flügel 13 so gewählt ist, daß die durch deren Einwirkung zustandekommende Änderung der Ströinungsrichtung des Gases gleichmäßig beschleunigt ist, wobei dann die sekundäre Wirbelbildung minimal ausfällt. Dias ist so erzielt worden, daß die Krümmung der Flügel 13 der graphischen Abbildung einer solchen Funktion entspricht, deren zweite Ableitung konstant ist.

Es i3t einleuchtend, daß sicn die Erfindung nicht auf die obenstehend angeführten Ausführungsbeispiele beschränkt und daß vielmehr davon auch viele andere Konstruktionen im Rahmen der nachstehenden Ansprüche vorgelegt werden können.

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Claims

-4c - Patentansprüche

1/ Verfahren zum Verbessern de3 Leistungsvermögens und des Wirkungsgrads eines Verbrennungsmotors sowie zum Vermindern der von ihm bewirkten Verschmutzungslast durch Verbessern de3 darin stattfindenden Verbrennungsprozesses durch Fördern der Durchströmung des Restgases im Motor mit Hilfe eines an die Auspuffleitung angefügten Rohre und eines oder mehrerer Boostertöpfe ia dessen Fortsetzung und eines oder mehrerer Schalldämpfungstöpfe in deren Fortsetzung, dadurch gekennzeichnet, daß man mit Hilfe der Bauweise des Auspuffsystems die Menge des mit der Ansaugfüllung des Zylinders zur

1C Vermischung kommenden Restgaees verringert und dadurch die Temperatur der Füllung herabsetzt sowie die Klopfanfälligkeit des Ottomotors auf solche Höhe herabsetzt, daß die Werte des Motors in der Formel

(100 + D) » e
gn =

ROZ

eingesetzt, wo D = Kolbendurchmesser in mm, e = Kompressionsverhältnis, ROZ = Oktanzahl (Untersuchungswert) des Benzins und gn = die Klopfanfälligkeit des Motors anzeigendeLeit_Zahl, für die Leitzahl den rfert 13,5 oder mehr ergeben, wenn der Zahlenwert des Kompressionsverhältnisses zwischen 8,0 und 9,5 liegt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Heranziehung mittels einer geeigneten Auspuffsystem-Bauweise der thermischen Druck- und Bewegungsenergie , die in dem bei Öffnung des Auspuffventils aus dem Zylinder in die Auspuffleitung austretenden Gas enthalten ist, kräftige und so zeitverlegte Druck-Schwankungen hervorgebracht werden, daß auf die Druckspitze, die das bei Öffnung des Aus puffventils strömende Gas in der Auspuffleitung herbeiführt, unmittelbar eine starke Druckminderung folgt, die bis zu der vom zunächst öffnenden Auapuffventil erzeugten Druckspitze anhält und damit im Zylinder einen solchen Druck bei offenstehendem Auspuffventil bewirkt, daß die Strömung des Rest-

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gases in die Anaaugleitung im wesentlichen verhindert wird, wenn sich das Ansaugventil öffnet, und dadurch die Temperatur herabsetzt sowie den relativen Anteil des neuen Gemisches in der Aneaugfüllung des Zylinders erhöht.
3· Auspuffsystem zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der obenstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Auspuffleitung mit Hilfe eine3 Verbindungsrohrs von geeigneter Länge ein Topf(Fig.3) angeschlossen ist, dessen Konstruktion und Volumen solcher Art sind, daß die von der Druckspitze beschleunigte, in den Topf hineingehende Gasströmung einen möglichst geringen Stoßverlust im Rahmen einer solchen Konstruktion hervorruft, die im Topf eine kräftige Wirbelströmung herbeiführt und wesentlich die Rückströmung des an der Wirbelströmung beteiligten Gases verlangsamt.
4- Auspuffsystem gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der darin vorgesehene Topf (fig.3) am Eintrittsende (1) mit einem sich erweiternden Expansionsraum (2,3) versehen ist,wobei der diesen bildende Innenteil (8,10) des Topfes in der Strömungsrichtung des Gases an wirbelerzeugenden Flügeln (13) endet und die in seiner Fortsetzung liegende Wirbelkammer (5) ein Volumen gleich mindestens dem 2-3fachen der Kolbenverdrängung des einzelnen Zylinders hat und von dort die Strömung dee Gases zum Ausströmungsrohr (12) durch einen konischen Verbinder (15) geschieht.
5· Auspuffsystem gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 3-4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenfläche des zylindrischen hinteren Teils (iO) des nach der Eintrittsöffnung (1) des Topfes angeordneten Innentei.ls oder bei derselben, vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen, eine tfirbel3trömung herbeiführende Flügel (13) vorgesehen sind, deren gegenseitiger Abstand, Form und Lage zur Wirbelströmung solche 3ind, daß die Rückströmung des Gasee im

^O wesentlichen innerhalb des Zei tintsrvall.3 verhindert wird, während dessen in der Wirbelkammer (5) ein höherer Druck als an der Eintrittsöffnung (1) des Topfes herrscht.
6. Auspuffsystem gemäß einem oder einiger der vorstehenden

Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß der im Expansionsraum (2,3) in der Gasströmung eingetretene Zuwachs der Strömungsgeschwindigkeit der Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit entspricht, die sich durch die von den Flügeln (13) bewirkte Änderung der Strömungsrichtung sowie durch das Aufrechterhalten der in der Wirbelkammer (5) stattfindenden Wirbelströmung ergibt.
7· Auspuffsystem gemäß einem oder einigen der vorstehenden Ansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, daß die die ¥irbelbildung herbeiführenden Flügel (13) solche Form haben, daß die durch ihre ^O Wirkung .zustandekommende Änderung der Strömungsrichtung eine gleichmäßig beschleunigte ist, wobei die sekundäre Virbelbildung minimal ausfällt.
8. Auspuffsystem gemäß einem oder einiger der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den am Auspuffsystem angebauten aufeinanderfolgenden Topfen (fig·?, fig-i) an die Strömung des Gases aus der "Wirbelkammer (5) in das Ausströmungsrohr (12) anschließenden Verluste mittels einer geeigneten Konstruktion in annähernd gleichem Verhältnis vermehrt worden sind wie die Pulsation in dem im Topf eintreffenden Gas geschwächt worden ist.

g. Auspuffsystem gemäß einem oder einiger der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Topf (figO) zwischen einem die Abgase reinigenden Katalysator und der Auspuffleitung eingesetzt oder am Katalysator als Vorkammer ausgebildet ist.

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