DE3347266A1 - Method for reheating the exhaust gases of a reciprocating-piston internal-combustion engine - Google Patents

Method for reheating the exhaust gases of a reciprocating-piston internal-combustion engine

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Abstract

Instead of the piston-engine gas exchange with single-chamber combustion, to be precise both for gas exchange in two-stroke and for four-stroke engines, the application having the above designation represents the new piston-engine gas exchange of two-chamber combustion with a main detonation and subsequent detonation, with overlapping overall control on the basis of time, quality and mixture quality. It provides exhaust gas without hazardous materials from cold start, and neither has an adverse effect on power nor increases consumption. The subsequent detonation is integrated in the timing cycle of the engine gas exchange of the reciprocating-piston engines (with or without a crank drive).

Description

Auf dem Gebiet des Kolbenmotors als spezieller Ausführungsform der Brennkraftmaschine ist in langer und erfolgreicher Ingenieurstradition die prinzipielle Denkform der Einraum-Verbrennung entwickelt und in Gestalt · des luftansaugenden Triebwerks zur höchsten Wirtschaftlichkeit aller Triebwerke entwickelt worden. ) Die heutige Konstruktionsform der Einzylinder-Kolbenmaschine, im Zwei- oder Viertaktverfahren ausgelegt, ist nach wie vor für leistungsmässig begrenzbare Anwendungen vom konstruktiven Systemgedanken her der vorwiegende Triebwerkstyp der Brennkraftmaschine und die bei grösserem Leistungsbedarf mit den dazu notwendigen Differenzierungen übliche Mehrzylinder-Kolbenmaschine ändert an dieser Systembetrachtung nichts. Zu ihr gehören zwei weitere Vorgangsmerkmale: erstens das Phänomen des Verdichtungshubs, darin bestehend, dass der nach dem Verschliessen des Auspuffventils oder Auspuffschlitzes Richtung Abschlusswandung des Zylinders sich bewegende Kolben das Anfangsvolumen des Ladegemisches auf einen definierten Wert verdichtet, zweitens die durch Selbst- oder Fremdzündung im Zustande der Verdichtung, der zugleich den besten Zustand einer totalen Brennraum-Füllung darstellt, erfolgende Einleitung eines explosiblen Verbrennungsablaufes. Beides, der Grad der Verdichtung und der Explosibilitätsgrad des Verbrennungsablaufes, sind jene Faktoren, welche die Leistungsqualität des Kolbenmotors bestimmen, aussagbar mit den Begriffen des Drehmomentes (bei Motoren mit Kurbeltrieb) und der Literleistung. Der Explosibilitätsgrad der Verbrennung bestimmt sich des Näheren aus dem Umstände, dass die Verbrennung des Ottomotors, um ein Beispiel zu nennen, in einem Bereich zwischen 15 und 23° nach dem oberen Totpunkt im wesentlichen beendet ist. Die das rein kolbenmotorische Arbeitsverfahren kennzeichnende und es abschliessende Denken kennzeichnet sich mit den Begriffen der Bildung des Ladungsgemisches, der Zündung, des Verbrennungsvorganges und des sich daran am Ende des Auslasses fortsetzenden Ausdehnungsschubes. Ausser bei Verbundsystemen, wie sie für Flugtriebwerke entwickelt wurden, beschäftigt sich selbst die wissenschaftliche Theorie des traditionellen Kolbenmotors am Verfahrensmodell des Einzylinders nur noch mit dem Problem der Nachdehnunc unter dem Gesichtspunkt, dass eine völlig umkehrbare Rückführung der Abgase auf Druck und Temperatur der Umgebung noch Arbeitsgewinn einbringen müsste. Rein prak-1 \ Unter dem Gesichtspunkt, welche Vorzüge das System der "inneren Verbren nOng-energietechnisch aufweist, vgl.Wilhelm Endres "Verbrennungsmotoren" Bd. i S.ii {1968). Zu allen Einzelheiten der- wissenschaftl.Theorie vgl.vor allem Fritz A.F.Schmidt "Verbrenn.ungskraftmaschinen - Thermodynamik und versuchsmässige Grundlagen" Berlin']967 (vgl. in dieser Beschreibung hierzu die Anmerkung 3). ÄA-»# In the field of the piston engine as a special embodiment of the internal combustion engine, the principle of single-chamber combustion has been developed in a long and successful engineering tradition and, in the form of the air-intake engine, has been developed for the highest economic efficiency of all engines. ) The current design of the single-cylinder piston engine, designed using the two- or four-stroke process, is still the predominant type of engine of the internal combustion engine for applications that can be limited in terms of performance from the structural system concept and the multi-cylinder piston engine, which is common in the case of greater power requirements with the necessary differentiations, changes in this System view nothing. Two further process features belong to it: firstly, the phenomenon of the compression stroke, consisting in the fact that the piston moving towards the end wall of the cylinder after the exhaust valve or exhaust port has been closed compresses the initial volume of the charge mixture to a defined value; State of compression, which at the same time represents the best state of a total combustion chamber filling, initiation of an explosive combustion process. Both the degree of compression and the degree of explosibility of the combustion process are those factors that determine the performance quality of the piston engine, which can be expressed in terms of torque (for engines with a crank drive) and liter output. The degree of explosibility of the combustion is more precisely determined by the fact that the combustion of the Otto engine, to name an example, has essentially ended in a range between 15 and 23 ° after top dead center. The thinking that characterizes and concludes the purely piston engine work process is characterized by the terms of the formation of the charge mixture, the ignition, the combustion process and the expansion thrust that continues at the end of the outlet. Except for compound systems, such as those developed for aircraft engines, even the scientific theory of the traditional piston engine on the process model of the single cylinder only deals with the problem of re-expansion from the point of view that a completely reversible return of the exhaust gases to the pressure and temperature of the environment still gains work would have to bring in. Purely prak-1 \ From the point of view of the advantages of the system of "internal combustion nOng energy technology, see Wilhelm Endres" Internal combustion engines "Vol. I S.ii {1968). For all details of the scientific theory see above especially Fritz AF Schmidt "Internal combustion engines - thermodynamics and experimental principles" Berlin ' ] 967 (cf. Note 3 in this description). ÄA - » #

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tisch konzentrierten sich diese Ueberlegungen auf Aufladungsprobleme, wo- | bei indessen von der Nutzleistung immer die für Lader aufzuwendende Arbeit abgezogen werden muss und der obere Laderwirkungsgrad in der Regel durch Verbrauchsverschlechterungen begrenzt wird. Uebereinstimmung herrscht darüber, dass bei der einstufigen Kolbenmaschine der Verlust durch unvoll-, kommene Dehnung, gerechnet auf etwa ]3% des Heizwertes, unvermeidbar sei.These considerations concentrated on charging problems, where however, the work to be expended for the loader must always be deducted from the useful power and the upper loader efficiency is usually limited by deterioration in consumption. There is agreement that in the single-stage piston machine the loss due to incomplete expansion, calculated to about 3% of the calorific value, is unavoidable.

Im Patentanspruch 1 wird unter dem übergreifenden Gesichtspunkt einer mit verschiedenen Massnahmen arbeitenden Gesamtsteuerung, die auch den primä-In claim 1 is from the overarching point of view with various measures, which also work for the primary

ren Explosionsvorgang umfasst, eine Erweiterung, des beschriebenen Ladungs wechseis mit einem sekundären Explosionsvorgang beschrieben, dem ebenfalls ein gemischbildender Ladungswechsel vorausgeht und der als gesteuerte Nach explosion bezeichnet wird. Es gibt zunächst abgesehen vom Schadstoffproble eine sehr prinzipiell-allgemeine Begründung für eine solche nachexplosive Anordnung : den Umstand, dass der Ottomotor seine beste Leistung keineswegs beim sog. stöchiometrischen Gemisch abgibt, jenem Gemisch also, bei dem im verbrennungstechnischen Vorgang alle vorhandenen chemischen Reaktionspartner ausgenützt werden (sog. Lambda l), sondern im Mischungsbereich eines Lambdas 0,8 bis knapp 1,0. Die Folgerung besteht darin, dass jede optimale Leistungsausbeute des Ottomotors, und das steigert die Praxis ständiger Aenderung der Betriebszustände nach Drehzahl und Beladung, immer im rein verbrennungstechnischen Sinn unvollkommene Endeusbrandergebnisse am Motorauslass in Form der Abgase ausschüttet. Es geht bei der hiermit vorgelegten Weiterentwicklung darum, nicht nur das Schadstoffproblem der Abgasausschüttung radikal zu bewältigen, sondern zugleich dem am Leistungs prüfstand arbeitenden Ingenieur Gesichtspunkte zur Verfügung zu stellen, die es ermöglichen, den Anteil an Strömungsenergie, der allein durch die Volumenausdehnung einer Nachexplosion gewinnbar ist, in geeigneter Weise für die LeistungsOusbeute des Gesamtgerätes nutzbar zu machen. Und mehr als das : dem in der Konstruktion von Abgasanlagen erfahrenen Ingenieur ist bekannt, welche Leistungssteigerungen neben den üblichen Mitteln (=Vei grösserung der Ladungsmenge im Motorbrennraum und Drehzahlerhöhung') alleir durch die reine Beherrschung der Raumgeometrie der Ansaug- und Abgasieitur gen im verlangten Drehmoment-Spektrum möglich sind - ihm wird es mithin einleuchten, dass gerade diese Technik noch steigerbar ist, wenn in den Vorgang des Auslass-Schubes geeigneten Orts aktive Strömungsenergie durch die Anordnung eines explosiblen Vorganges integriert wird. Es ist diesRen's explosion process includes, an extension of the described charge alternately with a secondary explosion process, which is also described This is preceded by a mixture-forming charge change, which is referred to as a controlled post-explosion. First of all, apart from the pollutant problem a very general rationale for such a post-explosive Arrangement: the fact that the gasoline engine is by no means its best performance in the so-called stoichiometric mixture, i.e. that mixture, at all existing chemical reaction partners are used in the combustion process (so-called lambda l), but in the mixing area a lambda of 0.8 to just under 1.0. The implication is that each optimal power output of the gasoline engine, and that increases the practice of constant change of the operating conditions according to speed and load, always End burning results that are imperfect in the purely combustion sense pours out at the engine outlet in the form of exhaust gases. It works with this The further development presented here is about radically coping not only with the pollutant problem of exhaust emissions, but also with the problem of performance To provide the engineer working on the test bench with points of view which enable the proportion of flow energy that is generated solely by the Volume expansion of a post-explosion can be obtained in a suitable manner for the power output of the entire device. And more as that: the engineer experienced in the construction of exhaust systems knows what increases in performance in addition to the usual means (= Vei increasing the amount of charge in the engine combustion chamber and increasing the speed ') solely through the pure mastery of the spatial geometry of the intake and exhaust systems genes are possible in the required torque spectrum - it will therefore be clear to him that this technology in particular can be increased if in the Process of the outlet thrust suitable location active flow energy is integrated by the arrangement of an explosive process. It is this

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zugleich ein Hinweis darauf, dass im Patentanspruch 1 zunächst nur die wicl tigsten Prinzip-Faktoren zusammengestellt sind, welche das neue Ladungsverfahren einer Zweiraum-Explbsion im kolbenmotorischen Gaswechselprozess kern zeichnen. Die Schemazeichnung und die folgenden Ansprüche haben in der Regel nur beispielhafte Qualität für eine konkrete Ausführung des neuen Verfahrens. Bereits die Raumgeometrie der Schemazeichnung in der Gestaltung der Raumgruppe 14/15 ist nur eine der sich anbietenden Möglichkeiten und auch die zeichnerische Darstellung der Strömungswende (Raumgruppe 305/30) einschliesslich der Formulierung des Anspruches 4 (auch in Verbindung mit Anspruch 9) dürfte beim Prüfstand-Ingenieur vielfältige Zusatzkonzepte auslösen. So ist es beispielsweise auch möglich, im Zylinderkopfbereich eines Viertaktmotors die Raumgruppe 14/15 als an den Zylinderkopf integrierten Block vorzusehen, und zwar einstückig, sodass jene Folgeräume, die üblicher weise als angeflanschte Abgasanlage bekannt sind, in diesem Konzept mit der Rohrbündelgruppe 103/104 etc. begännen.at the same time an indication that in claim 1 initially only the wicl The most important principle factors are compiled, which are at the core of the new charging process of a two-room explosion in the piston-engine gas exchange process to draw. The schematic drawing and the following claims usually have only exemplary quality for a specific implementation of the new process. Already the spatial geometry of the schematic drawing in the design the room group 14/15 is just one of the possibilities and also the graphic representation of the flow turn (space group 305/30) including the formulation of claim 4 (also in connection with Claim 9) should trigger a variety of additional concepts for the test bench engineer. For example, it is also possible in the cylinder head area of a four-stroke engine to have space group 14/15 integrated into the cylinder head Provide block, in one piece, so that those subsequent spaces, which are usually known as a flanged exhaust system, in this concept with the Start tube bundle group 103/104 etc.

Die Schemazeichnung geht von dem konkreten und bei der Behandlung z.B. des Gebrauchtwagenmarktes vorliegenden Fall aus, dass je Motorauslass flansch eine ronrartige Verlängerung 14 angebracht wird, die in einen kleineren Entspannungsraum 15 mündet. Bisherige Versuchsreihen haben das Konzept eine hiermit beginnenden Füllungsschubs der Nachexplosionskammer (= Gasschub l) erhärtet, der innerhalb der Zeitspanne, die bis zur nächsten Auslösung einer synchron zur Motorzündung angeordneten Nachbrennerzündung am Zündelement 11 vorliegt, eine Füllung der Räume 305/30/32 vollendet hat und dabei zugleich im Beschickungsweg über die Injektorgruppe 103/104 ff. eine Zusatz luftmenge auf dem Wege 12l/l2/l811 einbrachte. Hierbei bewährte sich neben anderen Lösungen (vgl.z.B. OS DE 33 00 521 Al Anspruch 1 Ziffer 3, Anspruch 19, 25, 26, 27 und 29) die in Anspruch 3 dieser Anmeldung bezeichnete Anord nung. Diese Zusatzlufteinbringung steht im Steuerungszusammenhang mit der in Anspruch 1c beschriebenen Gemisch-Regeleinrichtung in Verbindung, welche die explosible Qualität der Nachbrennvorrichtung mit magersten Beschickungei von der thermischen Phase an sichert, in welcher nach Beendigung des Kaltstart-Vorganges bei den Wandungen 21/211/311 etwa Kirschrotglut entstanden ist : dann nämlich ist eine nicht einmal des Funkensprunges (ll) mehr bedürfende Selbstzündungsphase der Nachexplosion entstanden, die sich von der Zündwilligkeit des Ottomotors, der (was die verschiedenen Konzepte der Gemisch-Schichten Nähe Zündelement begründet) an sich ein über ein Luftverhältnis Lambda 1,2 hinausgehendes Gemisch nicht mehr verträgt, da seine fortschreitende Flammen front ab Zündelement z.B. die ab Teillast-BeladungThe schematic drawing is based on the specific and when dealing with e.g. the Used car market in the present case that a ronr-like extension 14 is attached to each engine outlet flange, which in a smaller Relaxation room 15 opens. Previous series of tests had the concept of a filling thrust of the post-explosion chamber that begins with this (= gas thrust l) hardened within the period of time until the next trip an afterburner ignition arranged synchronously with the engine ignition is present on the ignition element 11, has completed a filling of the spaces 305/30/32 and thereby at the same time in the feed path via the injector group 103/104 ff. an addition amount of air brought in on the way 12l / l2 / l811. This has proven itself alongside other solutions (see e.g. OS DE 33 00 521 A1 claim 1 number 3, claim 19, 25, 26, 27 and 29) the arrangement referred to in claim 3 of this application tion. This additional air introduction is in the control context with the mixture control device described in claim 1c in connection, which the explosive quality of the afterburner with the leanest load egg from the thermal phase on, in which after the end of the cold start process at the walls 21/211/311 about cherry red glow was created is: then namely one no longer even needs the spark jump (ll) The self-ignition phase of the post-explosion emerged, which differed from the ignitability of the Otto engine, which (what the different concepts of the mixture layers Near the ignition element), a mixture that exceeds an air ratio lambda 1.2 can no longer be tolerated because its Progressive flames in front of the ignition element, e.g. those from partial load loading

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eintretende Gemisch-Verarmung infolge alsdann dazwischenliegender "zu stark verarmter Teilchen" nicht mag und mit Aussetzern antwortet, ganz wesentlich unterscheidet. Hier lieot eine wesentliche Stärke der selbstzündenden Nachexplosions-Stabilität, dass nach Ueberwindung der Kaltstartphase die Abhängigkeit vom Ausbreitungsphänomen ab einer Zündquelle ersetzt wird durch eine grossflächig den ganzen Nachbrennraum durchdringende Zündneigung aus einer Summe anderer Faktoren, zu denen u.a. die Glühemission gehört, die andernorts dargestellt wurde. ) Im Kaltstart des Motors ist das anders: da bedarf es des Zündelements und in dieser Phase bildet sich vom Zündelement 11 her die Stosswelle, die am Anfang einer Flammenausbreitungsfront steht als explosible Reaktion, für die es günstig ist, eine •sich nicht an irgendeinem Ausgang verflüchtigende Wärmeausbreitung zu erleiden; deshalb definiert Anspruch 3 das "System eines direkten Reflektionswand-Einschlusses der Nachbrennkammer", was nichts anderes bedeutet als die Notwendigkeit, aus einer sorgfältig dem Volumen nach abgestimmten Brennkammer nicht schornsteinartig Wärme zu emittieren, sondern erst nach -Strömungswende (an einer Wand wie 411) in das saugende Element einer Gassäule (38) zu gelangeni In dieser Nachbrennergestaltung liegt ein Faktor, der zum Explosivitätsgrad des Vorganges wesentlich beiträgt. So richtig es ist, hierbei den Gasschub 1 als Füllungsschub und den ab Stosswelle einsetzenden Gasschub 2 als Entleerungsschub im Kaltstart zu bezeichnen, so ist gleichzeitig nicht zu verkennen, dass mit Kirschrotglut diese Unterscheidung geringer wird und insbesondere bei Drehzahlsteigerung infolge immer weiterer Verkürzung der "Taktung" 'des Arbeitsspiels alle Uebergänge flüssiger werden· Das etwa Synchrone der Zündmomente im Motorbrennraum und Nachbrennraum bleibt auch in der Quasi-Selbstzündungsphase bestehen.Occurring mixture depletion as a result of then intervening "excessively depleted particles" does not like and responds with dropouts, very significantly differentiates. One of the main strengths of the self-igniting post-explosion stability is that after overcoming the cold start phase, the dependence on the propagation phenomenon from an ignition source is replaced by an ignition tendency that penetrates the entire afterburning chamber over a large area from a sum of other factors, including glow emissions, which have been shown elsewhere . ) The cold start of the engine is different: the ignition element is required and in this phase the shock wave is formed from the ignition element 11, which is at the beginning of a flame propagation front as an explosive reaction for which it is favorable that it does not occur at any output suffer volatile heat propagation; Therefore, claim 3 defines the "system of a direct reflection wall enclosure of the afterburning chamber", which means nothing else than the need not to emit chimney-like heat from a combustion chamber carefully adjusted in volume, but only after the flow reversal (on a wall like 411) to get into the suction element of a gas column (38). This afterburner design is a factor that contributes significantly to the explosiveness of the process. While it is correct, here to denote the gas thrust 1 as filling thrust and the incipient from shock wave gas thrust 2 as emptying boost in cold start, then the same can not be denied that this distinction is less with Kirschrotglut and especially in speed increase as a result of more and more shortening of "clocking "'of the work cycle, all transitions become more fluid · The approximately synchronous ignition moments in the engine combustion chamber and afterburning chamber also remain in the quasi-auto-ignition phase.

Geordnet nach den Schwerpunkten einer systematischen Betrachtungsweise stellt sich das neue kolbenmotorische Ladungsverfahren einer Abgasverbrennung mit Haupt- und Nachexplosion in einer Gesamtsteuerung nach Zeit, Menge und Gemischqualität dar, Ueberragender Faktor der zeitlichen Gesamtsteuerung ist die Synchronschaltung der Zündmomente in beiden Explosionsräumen. Sie führt zugleich die Hintereinanderschaltung zweier Fullmengen ein, die zum Arbeitsverfahren unabdingbar gehört (jedenfalls als Mindestrcenge); denn in ihr liegt zugleich der ordnende Gesichtspunkt, die Fü'llmenge zu bestimmen, die Objekt der Nachexplosion ist und die Bestimmung der Zeitspanne, innerhalb derer der Nachexplosionsvorgang seine Zündungs-Arranged according to the focal points of a systematic approach the new piston engine charging process of exhaust gas combustion with main and post-explosion in an overall control based on time, Quantity and mixture quality represent, outstanding factor of the overall temporal control is the synchronous switching of the ignition moments in both explosion chambers. At the same time, it leads to the series connection of two full quantities one that is an indispensable part of the work process (at least as a minimum requirement); for in it lies at the same time the ordering point of view, the quantity of fill to determine who is the object of the post-explosion and to determine the period of time within which the post-explosion process has its ignition

2) Diese Darstellung erfolgte' in;-'p:'33 30 180.7. 2 ) This representation was made 'in ; -'p : '33 30 180.7.

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bereitschaft erlangt haben muss : Es ist die Zeitspanne, welche für den kolbenmotorischen Ladungswechsel im engeren Sinne notwendig ist, im fiotorbrennraum die nächste Zündbereitschaft zu gewinnen. Beim Zweitakter ist dies der Weg des Kolbens vom unteren zum oberen Totpunkt, beim Viertakter ist dies die Zeitspanne, die erforderlich ist für den Einlasshub, der die Frisch ladung ansaugt, und für den Verdichtungshub, der dem Einlasshub folgt. Dass die für die Nachexplosion bestimmte Füllmenge indessen Zündbereitschaft erreicht hat, liegt an den Faktoren a - c des Patentanspruches 1 : einer 'Beladung mit einer nachbrennbaren Schadstoffmenge und Zusatzluft und einer räumlichen Struktur der für die Nachexplosion vorgesehenen Zündzone, welche dafür sorgt, dass dies mit einem sog. Füllungsschub vor sich geht, der ebenfalls eine Anzahl von Minimaleigenschaften aufweisen muss : er muss die ausreichende Strömungsenergie für die erforderliche Zusatzluftansaugung haben und es muss sich in seinem Vorgange eine gewisse Mischungsqualität bilden. Hier beginnen indessen bereits viele mögliche Differenzierungen des Vorgangs Zusatzluft kann beispielsweise bereits im Zündzonenbereich vorgefunden werden und Anspruch 4 definiert hierzu einen sog. peripheren Zuluftweg, der dies mittels des vorherigen Arbeitsspiels bewerkstelligt, und die Mischung erfolgt vorzugsweise mit einer Strömungswende (21/211) im Zündzonenbereich. Die von der Quantisierung des motorischen Ladungswechsels herkommende Mischqualität kann ausserdem gemäss Anspruch 6 mit einem dort nur beispielhaft angeführten Verfahren der Gemischregulierung geschehen, für das es ausserdem noch andere Lösungen bekannter Art geben kann.must have achieved readiness: It is the length of time that is required for the Piston engine gas exchange in the narrower sense is necessary in the fiotorbrennraum to win the next ignition readiness. With the two-stroke engine this is the path of the piston from bottom to top dead center, with the four-stroke engine it is this is the period of time that is required for the intake stroke, which draws in the fresh charge, and for the compression stroke, which follows the intake stroke. The fact that the fill quantity determined for the post-explosion has meanwhile reached readiness to ignite is due to factors a - c of claim 1: one '' Loading with a post-combustible amount of pollutants and additional air and a spatial structure of the ignition zone provided for the post-explosion, which ensures that this takes place with a so-called filling surge, which is also must have a number of minimum properties: it must be sufficient Have flow energy for the required additional air intake and there must be a certain quality of the mix in its process. Here, however, many possible differentiations of the process begin Additional air can already be found in the ignition zone area, for example, and claim 4 defines a so-called peripheral supply air path for this purpose, the this is accomplished by means of the previous work cycle, and the mixing is preferably carried out with a flow reversal (21/211) in the ignition zone area. The mixing quality resulting from the quantization of the motor charge exchange can also according to claim 6 with one there only as an example cited procedure of mixture regulation happen, for which it also there may be other known solutions.

Mit dem vorgelegten Ladungsverfahren eröffnen sich praktische Wege zur Weiterentwicklung insbesondere der Ottomotoren unter Einschluss von Gesichtspunkten, welche die wissenschaftliche Theorie seit langem bewegen. Zweifellos wird der Nachdehnungsvorgang des Gesamtprozesses mit neuen Perspektiven versehen. Ausserdem ergeben sich Möglichkeiten für die Hochverdichtung des Ottomotors, die alle Vo.rsprünge des Dieselmotors einzuholen vermag, weil nunmehr der Leistungshub des Motors endlich wieder mit einer Hochleistungs-Gemischbeladung zwischen Lambda 0.8 bis höher (und zwar einen Sparbetrieb bestimmter Teillastbereiche eingeschlossen) umweltbedenkenlos gefahren werden kann. )The presented loading procedure opens up practical ways for further development especially the gasoline engines, including aspects that have long been moving scientific theory. No doubt the post-expansion process of the overall process is provided with new perspectives. There are also opportunities for high compression of the gasoline engine, which is able to catch up with all of the diesel engine's leaps and bounds, because the engine's power stroke is finally back with a high-performance mixture load between lambda 0.8 and higher (including an economy mode of certain partial load ranges) can be driven without concern for the environment can. )

) Vgl.Fritz A.F.Schmidt a.a.O.(Anmerkung l) auf Seiten 35 ff. und S.278 ff. Darin wird mit Recht die Meinung vertreten, dass im System des Ottomotors) See Fritz A.F. Schmidt loc. Cit. (Note 1) on pages 35 ff. And p.278 ff. Therein the opinion is rightly represented that in the system of the gasoline engine

theoretisch noch grosse Verbesserungsmöglichkeiten vorliegen, die auch prak tisch" (zusammen mit Hochverdichtung)"verwirklicht werden können."theoretically there are still great opportunities for improvement, which are also prak table "(together with high compression)" can be realized. "

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Da sich dieses Nachexplosionsverfahren im Vorgang immer nur auf eine kleine Nachbrenner-Füllmenge bezieht, bedarf es einer kleinen Nachexplosionskammer im Unterschiede zu bisher vorgelegten Nachbrennern und die Grössenordnungen, wie sie mit traditionellen thermischen Nachbrennern und katalytischen Verfahren nach Volumen und Gewicht und Auswechselnotwendig- ' keit vorgelegt wurden, sind nicht mehr gegeben. Ihnen gegenüber bringt die Steuerung des Nachexplosionsvorganges und seine Integration in das kurzzeitige Gaswechselspiel des kolbenmotorischen Ladungswechsels alle wesentlichen Vorzüge. Zu ihnen gehört nicht nur die Anwendbarkeit vom Einzylindermotor bis hin zu allen Mehrzylindermotoren, sondern auch die Möglichkeit, bei konstruktiven Neuauslegungen beide Explosionsvorgb'nge in einer einstückigen Zylindergruppe zu vereinigen bzw. bei späteren Umrüstun gen den Weg zu beschreiten, die Nachexpiosionsgruppe ohne jede Aenderung am Motor in der auszuwechselnden Einheit der Abgasanlage unterzubringen. Die beigefügte Schemazeichnung geht von Letzterem aus. Aenderungen der Luftzubringung mittels Ausnutzung von Gebläseluft, die bereits zu Zwecken der Motorenkühlung im Gerät vorgegeben ist, ermöglichen weitere Verkleinerungen der Gesamtgruppe durch andere konstruktive Ausgestaltung des axialen Zusatzluftweges (I2l/l2/l811) ebenso wie des peripheren (19/6/8 + 31 einschliesslich der Lochgruppen in Wandung 3Π). Abschliessend bedarf es des Hinweises, dass unabhängig von den praktischen Ausführungsformen die Kaltstartphase der Kolbenmotoren sowohl nach der Konsumseite mittels Wärnietausch von Nachexplosionswärme direkte Verkürzungsmöglichkeiten eröffnet wie auch nach der Schadstoffseite, welche durch neuere Kolbenmotorkonzepte bisher unerreichbar waren ) : Der Schadstoff-Auswurf kann durch richtige Gesamtsteuerung des neuen Ladungsverfahrens im Sekundenbereich nach Kaltstart beseitigt sein.Since this post-explosion process only ever refers to a small afterburner filling quantity, it requires a small post-explosion chamber, which differs from previously submitted afterburners and the sizes presented with traditional thermal afterburners and catalytic processes according to volume and weight and the need for replacement are no longer given. Compared to them, the control of the post-explosion process and its integration into the brief gas exchange cycle of the piston engine gas exchange has all the essential advantages. These include not only the applicability from single-cylinder engines to all multi-cylinder engines, but also the possibility of combining both explosion processes in a one-piece cylinder group in the case of structural redesigns or, in the case of later retrofitting, the post-explosion group without any change to the To accommodate the engine in the unit to be replaced in the exhaust system. The attached schematic drawing is based on the latter. Changes to the air supply by using blower air, which is already specified in the device for the purposes of engine cooling, allow further reductions in the overall group through different structural design of the additional axial air path (I2l / l2 / l811) as well as the peripheral (19/6/8 + 31 including the hole groups in wall 3Π). Finally, it is necessary to point out that regardless of the practical embodiments, the cold start phase of the piston engines opens up direct possibilities for shortening both on the consumption side by exchanging heat from post-explosion heat and on the pollutant side, which were previously unattainable with newer piston engine concepts): The pollutant ejection can be achieved through correct overall control of the new charging process can be eliminated within seconds after a cold start.

r) Vgl. die Aufsatzreihe von O.v.-Fersen in VDI-Nachrichten v.22. υ 29 8 1980. ' ' r ) Cf. the series of articles by Ov-Fersen in VDI-Nachrichten v.22. υ 29 8 1980. ''

CX)PYCX) PY

Claims (12)

Az.: 7 W (pat) 74/84 Stuttgart", cfen .19'. 1 2 :i985 (P 33 47 266.1) "Ref .: 7 W (pat) 74/84 Stuttgart ", cfen .19 '. 1 2: 1985 (P 33 47 266.1) " Anm.: Dr. Hans Karl Leistritz P 4515 33 4726 6Note: Dr. Hans Karl Leistritz P 4515 33 4726 6 1 Belegexemplar!1 specimen copy! j Darf ni'Jit geändert werden ;j May be changed ni'Jit; PatentansprücheClaims T. Verfahren zur Nachverbrennung der Abgase einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, T. method for afterburning the exhaust gases of a reciprocating internal combustion engine, dadurch gekennzeichnet,characterized, dass der Ladungswechsel mittels einer mindestens zwei Füllmengen umfassenden übergreifenden Gesamtsteuerung durch eine gesteuerte Nachexplo·that the charge exchange by means of at least two filling quantities comprehensive overall control through a controlled post-explosion • sion des am Motorbrennraum-Auslass (Schlitz oder Ventil) ausgeschütteten einzelnen Abgasquants in der Weise ergänzt wird, dass• sion of the poured out at the engine combustion chamber outlet (slot or valve) individual exhaust gas quanta is supplemented in such a way that α) im Motorbrennraum und mindestens einem Nachbrennraum, bestimmt durch den Zündmoment des motorischen Ladungswechsels, bei Schadstoffbeladung der aus dem Motorbrennraum austretenden Abgasmenge ständig zwei synchrone Explosionen stattfinden, von denen die einzelne eine von der anderen verschiedene Füllmenge erfasst, und zwar mit Nachexplosion jeweils die der synchron explodierenden Füllmenge des Motorbrennraumes im motorischen Ladungswechsel vorauseilende Füllmenge;α) in the engine combustion chamber and at least one afterburning chamber due to the ignition moment of the engine gas exchange, with pollutant load the exhaust gas quantity escaping from the engine combustion chamber constantly two synchronous explosions take place, each of which is one of the other different filling quantities are recorded, namely with post-explosion each of the synchronously exploding filling quantity of the engine combustion chamber filling quantity leading in the engine charge cycle; b) dass die Beladung des Nachbrennraums zugleich eine Beladung mit Zusatzluft aufweist;b) that the loading of the afterburning chamber at the same time a loading with Has additional air; c) dass die räumliche Struktur des Folgeraums nach Auslassventil bzw. ■ -schlitz bis hin zur Zündzone des Nachbrennraumes in der überwiegendenc) that the spatial structure of the subsequent room after the outlet valve or ■ -slot up to the ignition zone of the afterburning chamber in the predominant part • Vielfalt der Betriebszustände ab Kaltstart für eine rechtzeitige Bereitstellung des Abgas/Zusatzluftgemisches mit jederzeit explosibler Qualität des Endausbrandes geeignet und mit einer Gemisch-Regeleinrichtung versehen ist, die diese explosible Qualität der Nachverbrennung praktisch verzögerungslos mi.t dem für Motorleistung und Brennstoffverbrauch abgestimmten Gemischbedarf des Motorbrennraumes sichert.• Variety of operating states from cold start for timely provision of the exhaust gas / additional air mixture with an explosive quality of the final burnout at any time and with a mixture control device is provided that this explosive quality of the afterburning practically without delay with that for engine performance and fuel consumption ensures a coordinated mixture requirement of the engine combustion chamber. COPY
ORIGINAL INSPECTEDCOPY
ORIGINAL INSPECTED d) dass vorzugsweise bereits im Motorbrennraum ein Hochleistungszünd-' system verwendet wird, sofern es sich um Ottomotoren handelt, das nach f ment und Zündqualität mittels Zündelement-Reihenschaltung bekannter Art (OS 29 09 885 in Verbindung mit OS 29 17 491 Ansprüche 1 und 2) Masseschluss in einem Zündrohr der Nachbrennkammer findet,d) that preferably already in the engine combustion chamber a high-performance ignition system is used, provided that it is a gasoline engine, which according to f ment and ignition quality by means of ignition element series connection of a known type (OS 29 09 885 in conjunction with OS 29 17 491 claims 1 and 2) takes place in an ignition tube of the afterburning chamber, e) dass bei Dieselmotoren eine Nachbrenner-Fremdzündung in Abstimmung „auf den-Selbstzündungsmoment verwendet wird. ■e) that for diesel engines an afterburner external ignition in coordination "Is used on the auto-ignition torque. ■ - f) dass bei der konstruktiven Auslegung der Nachexplosionskammer nicH nur die kurze Zeitspanne massgeblich ist, innerhalb derer die Füllmenge (vgl«c) die Beladung des Nachexplosionsraumes beendet haben muss und die dem Zeitverlauf bis zum Erreichen des nächsten motorischen Zündmomentes entspricht, sondern darüber hinaus die Unterscheidung zwischen den. beide Gasschüben der Füllung (Gasschub l) und dem nach Zündung einsetzenden de Entleerung (Gasschub 2). -- f) that in the structural design of the post-explosion chamber no only the short period of time within which the filling quantity is relevant is decisive (cf. «c) the loading of the post-explosion space must have ended and the corresponds to the time course until the next engine ignition moment is reached, but also the distinction between the. both Gas thrusts of the filling (gas thrust l) and the de Emptying (gas thrust 2). - 2. Verfahren gemäss Anspruch.! dadurch gekennzeichnet, dass unter, den verschiedenen konstruktiven Möglichkeiten, im Folgeraum bzw. der Folgestrecke .(14) nach Motorbrennraum-Auslass den Füllungsschub durchzuführen, die Anordnung einer begrenzten Entspannungsstrecke (15) vorteilhaft ist, in der noch keinerlei Zusatzluft-Zufuhr stattfindet und eine gewiss ^thermische Gefällestruktur aufrechterhalten bleibt, die flammenlosen Gasdurchsatz ermöglicht, aus der ein mit Luftinjektoren (l81l) versehenes Bündel von Strahlrohren (103,104) mit bekannten schalldämpfenden Filterwirkungen seitlich in ein-Beschickungselement (29) mündet, das einem siel konisch verjüngenden Zündrohr*(21 l/mit Wandabschluss 21) das Abgas/Luft--Gemenge zuführt.2. Procedure according to claim.! characterized in that under, the various constructive options in the following room or the following route . is in which there is still no additional air supply and one is certain ^ thermal gradient structure is maintained, the flameless gas flow rate made possible from a Bundle of radiant tubes (103,104) with known sound-absorbing filter effects laterally in a charging element (29) opens, which one fell conically tapering ignition tube * (21 l / with wall closure 21) the exhaust gas / air mixture feeds. 3. Verfahren gemäss Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass in das Beschickungselement (29) mündende Rohgas-Teilstromleitungen (103,104), die aus eingelegten Zusatzluftleitungen, die mit einer Luftkammer (12) verbunden sind, Luft ejezieren, in ihrer stromabwärtigen Zone reine Rohgas-Zufiussleitungen (lO,9):;äufweisen, die sowohl zusätzliche Strömungsenergie zubringen als auch verschiedenste Mischungsverhältnisse nach sich ziehen.3. The method according to claim 2, characterized in that the feed element (29) opening raw gas partial flow lines (103,104) ejezieren air from inserted additional air lines that are connected to an air chamber (12), in their downstream zone pure raw gas supply lines (lO, 9); show that both generate additional flow energy and result in a wide variety of mixing ratios. 4. Verfahren gemäss einem-der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass anstatt oder neben der axial ausgelegten Luftzubringung (Anspruch 3) eine solche peripherer Position, aus einem Zulaufweg 19/o4. The method according to one of the preceding claims, characterized in that that instead of or in addition to the axially designed air supply (Claim 3) such a peripheral position, from a feed path 19 / o ORFGINAL INSPECTEDORFGINAL INSPECTED J -ar J -ar vorgesehen ist, die sowohl durch die Strömungsenergie des zufliessenden Rohgases und seiner Wendeströmung im Umkehrraum (305) betrieben wird wie durch die in der Zündphase plötzlich auftretende Stosswellen-Verdichtung ' mit ausgangsorientiertem Abfluss Richtung 30/32/322/323/38.is provided both by the flow energy of the inflowing The raw gas and its reversal flow is operated in the reversal space (305), as is the case with the shock wave compression that suddenly occurs in the ignition phase ' with exit-oriented discharge direction 30/32/322/323/38. =. ·' --· =. · '- · 5. Verfahren gemäss einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Zusatzluft-Eintrittsleitungen (19,121), unter Gebläsevordruck betrieben wird. ..· . , ..''■'·5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that at least one of the additional air inlet lines (19, 121), is operated under blower pressure. .. ·. , .. '' ■ '· -"■·"·' - "■ ·" · ' 6. Verfahren gemäss einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der als Gemisch-Regeleinrichtung (vgl.Anspruch Ic) bezeichnete besondere Vorgang der Gesamtsteuerung beider Ladungswechsel im Motor- und im Nachbrennraum in der Weise erfolgt, dass in der Beschxkkungsstrecke des Motors (an einem Organ wie z.B. der Gemischverstellschraü be des Vergaserbereichs) wechselnde Einstellungen in Abhängigkeit vom thermischen Zustand einer Nachbrennraumzone (z.B.322) etwa über eine daraus mit Abgas beaufschlagte Bimetall feder vor sich gehen, wobei zuvor eine Vorspannungs-Einstellung die Kaltstart-Zeitspanne erfassbar macht, nach deren Ablauf erst der vorgesehene Magerbetrieb beider Ladungswechsel mit einem weiteren Feineinstellungsbereich einsetzt, der eine am Prüfstand aus thermischen Gesichtspunkten festgelegte Endbegrenzung aufweist.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that the referred to as a mixture control device (see claim Ic) special process of the overall control of both gas exchange in the engine and in the afterburning chamber takes place in such a way that in the charging section of the engine (on an element such as the mixture adjustment screw of the carburettor area) changing settings depending on the thermal state of an afterburning chamber zone (e.g. 322) about one of it bimetal springs acted upon by exhaust gas go ahead, with a preload setting making the cold start period detectable beforehand, after its expiration, the planned lean operation of both gas changes with a further fine-tuning range begins, the one on the test bench has end limitation determined from a thermal point of view. 7. Verfahren gemäss den vorigen Ansprüchen oder einem von ihnen dadurch gekennzeichnet, dass durch das diskontinuierliche Arbeitsspiel der'^Ausschübe am Motorauslass und der Ausschübe aus der Nachexplosionskcmmer nach jedem Schlitz- oder Ventil-Schliessen durch die weiterlaufende Gassäule sowohl im Folgeraum nach dem Motorauslass (bzw.14) wie in der Zündzone (305) bei richtiger Längen- und Volumenauslegung in ständiger Folge sog. "Quasi-Leerräume" entstehen, die dem nachfolgenden Arbeitsspiel als äusserst widerstandsarme Einströmzonen besondere Nachdehnungsmöglichkeiten offerieren, die bei der Leistungsabstimmung des Motors am Prüfstand mit ihrem VolumenSpielraum zu überprüfen sind.7. The method according to the previous claims or one of them characterized in that the discontinuous work cycle of the '^ extensions at the engine outlet and the extensions from the post-explosion chamber after each slot or valve closure by the continuing Gas column both in the next room after the engine outlet (or 14) and in the Ignition zone (305) with the correct length and volume design in constant succession so-called "quasi-empty spaces" arise, which the subsequent work cycle as extremely low-resistance inflow zones, special post-expansion options offer, which are to be checked with their volume scope when tuning the engine's performance on the test bench. 8. Verfahren gemäss vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Nachbrennraum vollständig.mit einem System des allgemeinen Reflektionswand-Einschlusses (21/211 zu 41 und 41l) auszuführen ist.8. The method according to the previous claims, characterized in that the afterburning chamber completely.mit a system of general reflection wall inclusion (21/211 to 41 and 41l) is to be carried out. 9. Verfahren gemäss einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Belegung der Leitung (19) der peripheren Luftspülung mit Gebläsevordruck neben einer Luft-Durchspülung des Leitungsweges des Entleerungshubes zwischen den Gasschüben insbesondere im niedrigen Dreh-9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that the occupancy of the line (19) of the peripheral air flushing with blower admission pressure in addition to an air flushing of the line path of the Emptying stroke between the gas thrusts, especially in the low °°PY ORIGINAL INSPECTED . -°° PY ORIGINAL INSPECTED. - zahlbereich auch im Betriebszustand der hohen Leistungsausbeute des Motors die Möglichkeit reinen Kuhlluftdurchsatzes mit thermischer Endbegrenzung bietet.number range even in the operating state of the high power output of the engine offers the possibility of pure cooling air throughput with thermal end limitation. 10. Verfahren gemäss vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass bei Mehrzylindermotoren jedem Brennraumauslass eine spezielle Nachexplosionsstrecke der beschriebenen Art zugeordnet wird und erst im Zugstrekkenbereich (38) eine samraelrohrartige Zusammenfassung der Abgasausschübe vorgesehen ist.10. The method according to the previous claims, characterized in that that with multi-cylinder engines each combustion chamber outlet has a special post-explosion section is assigned the type described and only in the Zugstrekkenbereich (38) a samrael pipe-like combination of exhaust gas discharges is provided. Π." Verfahren gemäss vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass bei Mehrzyliridermotoren je zwei der Nachexplosionskörper an eine gemeinsame Zusatzluft-Eintrittskammer (12) angeschlossen sind.Π. "Process e g Mäss previous claims characterized in that each two of the at Mehrzyliridermotoren Nachexplosionskörper to a common bleed air inlet chamber (12) are connected. 12. Verfahren gemäss einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei Mehrzylindermotoren, die an ein gemeinsames Sammelrohr 'angeschlossen sind, das Zündsystem der Nachexplosionsstrecken erst bei einer solchen Drehzahl (bzw. Kolbengeschwindigkeit) automatisch eingeschaltet wird, in welcher tatsächlicher Leerlauf vorliegt und nicht nur durch ein Anlasserorgan betriebener und noch nicht zündender Ladungswechsel der Motorbrennräume.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that with multi-cylinder engines that are connected to a common manifold, the ignition system of the post-explosion sections is only activated at such a speed (or piston speed) is automatically switched on in which actual idling is present and not just through a starter element operated and not yet igniting gas exchange of the engine combustion chambers. OOPYOOPY
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DE1751547A1 (en) * 1967-06-16 1971-07-15 Suzuki Motor Co Exhaust gas decontamination system for internal combustion engines
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DE2917491A1 (en) * 1979-04-30 1980-11-13 Leistritz Hans Karl Thermo-reactor with separate ignition for IC engine exhaust gases - has spark paths coupled in series and with parallel capacitor

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