DE3516029A1 - Als kolbenmotor (hub- oder rotationskolben) ausgefuehrte brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf Kolbenmotoren herkömmlicher Bauart, und zwar sowohl auf Hubkolben wie auf Rotationskolben. Als herkömmliche Bauart wird hierbei die Konstruktion stromabwärts bis Auslass Kolbenstrekke (Ventil oder Schlitz) verstanden, und zwar rein gegenständlich in der Regel bis zu dem Flansch, der sich am Körper des Motorenzylinders dort befindet, wo die dem Ventil oder Schlitz folgende Auslassleitung noch innerhalb dieses Körpers verläuft. Das an die Auslassöffnung der einzelnen Kolbenstrecke angeflanschte Leitungsssystem ist bei sorgfältigen Ausführungen für die Funktion des Kolbenmotors von wesentlicher Bedeutung : es dient nicht nur dem Zweck, besonders bei Fahrzeugen die in die freie Atmosphäre entlassene Abgasmenge an dem hierbei vom Gesetzgeber bestimmten Ort seitlich, hinter dem Fahrzeug oder oberhalb desselben austreten zu lassen, um Umwelt- und Insassenbelästigungen auszuschliessen, sondern es werden vor allem raumgeometrisch exakt ausgemessene Leitungssysteme verwendet, welche vor allem für die motorseitig erzielbaren Drehmomente bezogen auf die einzelnen Betriebszustände von Bedeutung sind. Insofern ist jedes Leitungssystem Bestandteil des Motors auch in Bezug auf die Motorleistung.

Die Aufgabe, die mit der hier vorgelegten Erfindung zu lösen ist, ergibt sich aus dem Umstände, dass der selbstansaugende und selbstverdichtende kolbenmotorische Ladungswechsel, der die Energie einer Vielzahl von Explosionen auf einen Kurbeltrieb überträgt, noch immer ein in mehrfacher Hinsicht unvollendeter Vorgang ist. Dieses Unvollendete des Vorganges besteht nicht nur darin, dass die kinetische Energie des Explosionsvorganges in allen Leitungen noch mittels sehr differenzierter Massnahmen hinsichtlich ihrer akustischen Lästigkeit endgültig vernichtet werden muss, und zwar durch nachträglich angebrachte Schalldämpfer, sondern auch darin, dass der Ausbrand der Kraftstoff/Luft-Mischung innerhalb des Motorbrennraumes noch keineswegs beendet wird und das am Kolbenstrecken-Auslass ausgeworfene Abgas noch eine Vielzahl unausgebrannter Stoffe aufweist wie Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Russpartikel verschiedenster Grosse, wobei die kleinsten, die lungengängig sind, zu den gefährlichsten gehören. Alle Phänomene dieser Art, die mangelnden Endausbrand bekunden, weisen darauf hin, dass ein direktes Endausbrandsystem in der Lage sein müsste, den Ver-

brennungsvorgang besser zu Ende zu führen als Zusatzgerät, das sich nur mit den Folgen eines noch unbeendeten Prozesses befasst wie Schalldämpfer und Katalysatoren. Die Aufgabe des hier vorgelegten Verfahrens besteht mithin darin, mittels Integration in den Ladungswechselprozess, der im Motorbrennraum seine hauptsächliche Energieentladung mit Umsetzung in den Bewegungsvorgang des Kurbeltriebes in explosiver Form herbeiführt, eine zweite explosionsartig verlaufende Form des Endausbrandes zu schaffen, welche mit ihrer Energieumsetzung zugleich den Endausbrand bewirkt.

Damit ist aber erst ein Teil der Aufgabe bezeichnet. Eine weitere besteht darin, die Schadstoffquanten des Abgases zu beseitigen, die nicht nur reine Endausbrandmängel sind wie Russ, CO und HC, sondern auch jene, die sich einer direkten Nachverbrennung widersetzen wie der Stickoxid-Gehalt der Abgase. Er ist kein Verbrennungsmangel, sondern eine Folge der Beladung des Motorbrennraumes mit Luft, die bekanntlich neben 20,95 Vol.-^ Sauerstoff, die an der motorischen Verbrennung teilnehmen, auch 78,09 Vol.-% Stickstoff enthält, der in seiner Gasform unbrennbar ist. Hier besteht die Aufgabe,den NO-Gehalt der Motorenabgase, der in seiner Quantität je nach Ladungswechselsystem in verschiedenem Umfang bei den verschiedenen Motorenarten entsteht, mittels Dissoziation zur Aufspaltung in N« und O2 zu bringen.

Beide Aufgaben werden mit einer Reihe von Massnahmen gelöst, welche im Patentanspruch 1 im Ueberblick und in ihrem inneren technischen Zusammenhang bezeichnet sind. Die erste Massnahme besteht darin, durch einen mittels Fremdzündung inganggesetzten Flammennachbrenner gleichzeitig (synchron) mit dem Motorstart bereits aus der Kaltphase den Schadstoffabbrand der Abgase in Gang zu setzen. Das kann gemäss Schutzrechten des Anmelders mit einem Thermoreaktor, der als Umkehrspülungsbrennkammer gemäss US-Patent Nr.4,318,887 (1982) ausgeführt ist, erfolgen oder vor allem mit einem in den Ladungswechsel des Motors integrierten Synchron-Reaktor gemäss belgischem Patent Nr.900.193(1984). Letzterer stellt die Weiterentwicklung des kolbenmotorischen Arbeitsverfahrens in der Weise dar, dass innerhalb derselben Zeitspanne, in welcher der Kolben nach dem Abgasauswurf den Motorbrennraum mit einer neuen Frischladung verdichtet hat und der Motorauslass geschlossen ist, der vorherige Abgasauswurf die Füllung einer Nachexplosionskammer, die sich in der Abgasleitung befindet, vollzogen hat, und in diesem Zeitmoment, in dem beide Explosionskammern zündbereit sind, durch Parallel- oder Hintereinanderschaltung beider Funkenstrecken bzw. durch Glühzündungsflächen der Nachexplosionskammer etwa synchrone Zündung stattfindet, wozu kurz zuvor dort Zusatzluft zugeführt wurde, falls der Sauerstoffgehalt des Abgases hierzu nicht ausreichend sein sollte.

Mit beiden Nachverbrennungsverfahren kann erfahrungsgemäß in kürzerer Zeit, als der Kolbenmotor zum Warmlauf braucht, durch den Schadstoffabbrand der immer angereichert gefahrenen Motor-Kaltstart-Phase ein schneller Temperaturaufbau in der Nachreaktionsstrecke erzielt werden. ) Dieser Temperaturaufbau, und das ist entscheidend für den zweiten Teil der (auf S.2) beschriebenen Aufgabenstellung, macht die Energieschwelle überschreitbar,die erforderlich ist, um mittels thermischer Dissoziation die Spaltung von NO in N« und (>2 herbeizuführen. Das bedarf allerdings einer gewissen Verweilzeit, und dies ist, neben der Reaktionsbeständigkeit bei abrupten Wechselbeladungen des Motors, der Grund dafür, der in Anspruch 1 bezeichneten Nachreaktionsstrecke übergreifend die raumgeometrische Form eines in Prallwandungen eingefassten langgestreckten Hohlleiters zu geben (Abs.2 des kennzeichnenden Teils). Das aus der thermischen Dissoziation des NO freiwerdende 0« fügt sich innerhalb des Gesamtvorganges in den Endausbrand von CO und HC ein, sodass letztlich sogar von einer teilweisen Beteiligung des NO am Endausbrand des Abgases gesprochen werden kann. Der Nachreaktionsprozess kann mithin, wie Anspruch 1 dies ausdrückt, in seiner Einheit als Gesamtprozess thermischer Assoziation und Dissoziation bezeichnet werden (vgl.Absatz 1 des kennzeichnenden Teils von Anspruch l).

Der oben beschriebene Temperaturaufbau mittels eines Schadstoff-Endausbrand-Verfahrens ist als Energiequelle für die notwendige Dissoziation des Stickoxids bei extrem mageren Kraftstoff-Luft-Gemischen des Motorbrennraumes in der Regel nicht ausreichend, und zwar besonders dann, wenn bei bestimmten Ladungswechselsystemen wie dem Dieselmotor und dem Zweitakt-Ottomotor die Abgastemperatur beim Kolbenstrecken-Auslass z.B. bei Vollasteinstellungen um ca. 200° C niedriger liegt als beim Viertakt-Ottomotor. Diese Anwendungsfälle lassen die Bedeutung des Umstandes erkennen, dass die reine Stosswellenforschung inzwischen sehr deutliche Ergebnisse aufweist, zumindest am Experimentierobjekt des einfachen Stossrohrsmit eindimensionalem Stossverlauf , die sehr deutlich belegen, dass die kinetische Energie der Stosswelle in thermische Energie zurückzuverwandeln ist, wenn geeignete raumgeometrische Anordnungen getroffen werden. Absatz 4 des Anspruches 1 ergänzt den Wärmeaufbau, der durch Nachverbrennung bzw. Nachexplosion möglich ist, durch ein solches Verfahren

) Eine technische Dokumentation hierzu befindet sich auf S.24 des DABEI-Forum-Heftes 1 (Bonn 1984) "Reduzierung von Schadstoffen und Lärm durch Motortechnik" bezogen auf die Wirkung der Flammennachverbrennung des Anmelders mit einer neutralen Kalifornientest-Messung.

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und macht zu diesem Zweck die dem Kolbenstrecken-Auswurf vorauseilende und sich aus dem Gasquant lösende Druckwelle als eine EnergieausschUttung deutlich. Prüfstandarbeiten belegten, dass der Drucksprung hinter einer reflektierten Stosswelle wesentlich grosser sein kann ( und damit der Temperaturanstieg) als hinter der einfallenden Welle. Ausserdem zeigte sich, dass fokusartige Konzentrationen identischer Stosswellen den Temperaturanfall weiter erhöhen. Wesentlich ist in Abgasanlagen hierbei, dass zwischen Motorauslass und nutzender Stosswellenreflektion Leitungen ohne Einbauten liegen, wie sie aus Gründen der Schalldämpfung oft vorgesehen wurden. Die Stosswelle muss ungemindert im Brennort anlangen. Als vorteilhaft erwies sich sich die als Divergenz in Anspruch 2 bezeichnete Zerledung des einzelnen Explosionsstosses in eine Mehrzahl identischer etwa eindimensionaler Stösse, und zwar mittels einer Reflektionswand, nach der ein solcher Mehrfachstrahler (103 und 103b in Fig.2) gleichmässig beschickbar wurde (vgl. die Reflektionswände 151 und 151b in Fig.2). Die Arbeiten des Anmelders konzentrierten sich schliesslich auf zwei Formen der Brennortbeschickung mit fokussierenden Strahlenbündeln : eine periphere (103 in Fig. 2) und eine axiale innerhalb eines axial gelagerten Beschickungselementes, wie es in den Figuren des zitierten belgischen Patentes gezeigt ist (29). Deutlicher ist indessen die Unterscheidung danach, ob die Fokussierung der identischen Strahlen durch Rückwurf an konvergenten Flächen erreicht wird (wie 3220 in Fig.2) oder durch ein bereits konvergentes Zueinanderlaufen der Strahrohrmündungen (wie 103b in Fig.2). Beim Hubkolben- und Rotationskolbenmotor ergibt sich der grosse Temperaturanstieg vor allem durch die fast beliebig steigerbare Stosszahl. Ein Vierzylinder-Ottomotor erlaubt bei einer Drehzahl von 3000 U/min innerhalb einer nachexplosiven Brennkammer die Konzentration von 6000 Stössen/min, d.h. 100 Stössen/sec. Die hier vorgelegte Konstruktion ermöglicht es, in einen Verteilerraum gemäss Fig.1 diese Stosszahl in einem Brennort 32/323 konzentriert anfallen zu lassen. Die Fig. 2 verteilt eine solche Stosszahl auf die gesamte Hohlleiterlänge.

Die beiden Figuren sind Schemazeichnungen und haben identische Bezifferungen. Die abgebrochen gezeichnete Figur 2 entspricht in ihrem oberen Teil,der nicht gezeichnet ist, der Figur 1 : der Hohlleiter 38 mündet in einen Verweilzeitraum 325, aus dem eine Zugstrecke 388 in eine finale akustische Frequenzabstimmung übergeht und von dort in die freie Atmosphäre. Der Kolbenstreckenauslass mündet in die Leitungen 14 (Fig.i) bzw. 14a und 14b (Fig.2), die das Rohgas dem Verteilerraum 15 (Fig.1) bzw. 15a und 15b (Fig.2) zuführen. In je-

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den dieser Verteilerräume können verschiedene Motorauslassleitungen (14 ff.) münden. Eine vorherige Zusammenfassung dieser Leitungen in einem Sammelrohr findet nicht statt, sodass die diskontinuierliche Beschickung der Mehrfachstrahler immer beibehalten wird. Die Reflektionswände 151 und 151b sind ein einfaches konstruktives Mittel, die zeitgleiche Beschickung der Strahlrohre 103 und 103b durchzuführen. In der Figur 1 ist eine Lufteinmischung auf dem Weg 121/12/181.1 vorgesehen und eine Luftnachmischung auf dem Weg 191/19/8. Zusatzluft ist bei jedem Kaltstart infolge der in diesem Betriebszustand erfolgenden Kraftstoff-Anreicherungen notwendig. Inwieweit die Zusatzluft bei einzelnen Betriebszuständen in Abhängigkeit vom Ladungswechsel des Motors gesteuert wird, ist andernorts speziell ausgeführt worden. In Figur 1 gelangen die Wellen- und Gasstrahlen aus den Rohren 103 in eine gestufte Reflektionsanordnung an den Wandungen 844 und 3220, nach denen sie fokussieren, und zwar im Brennort 32. Als Fremdzündung wird Summerzündung verwendet bzw. kontaktlos gesteuerte Anordnungen. Nach Erreichen des Warmzustandes erfolgt innerhalb des Brennortes bzw. an seinen Umfangwandungen Glühflächenzündung. Bei Zweitaktmotoren, die einen praktisch vernachlässigbaren Stickoxid-Anfall aufweisen, kann die Brennraumtemperatur (in 32,323,38 und 325) unter 1000° C gehalten werden. Bei anderen Motoren ist je nach dem thermischen Dissoziationsbedarf eine Stabilisierung in der erforderlichen Höhe mittels Langrohr 38 und Verweilzeitstrecke 325 möglich. Während der Brennort 32 in Figur 2 bereits durch Beaufschlagung der Umfangwandung 3220 beidseitig mit heissem Rohgas schnell thermisch stabilisierbar ist, ermöglicht die Zusatzluftkammer 19, die die Wandungen 3220 aussen umspült (Fig.l), beliebige Auslegung eines KühlVorganges. Das insbesondere dann, wenn dort Kühlluft mit Gebläsevordruck angelegt wird.

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Claims (12)

1. Dr.Hans Karl Leistritz

   Büroanschrift : 5040 Brühl, Balthasar Neumann-Platz 1

   Eigenes Zeichen : lei N 8329 Z 7

   Anmelder : Dr.Hans Karl Leistritz, 7891 Küssaberg 2, Stegwiesen 8

   Bezeichnung der Anmeldung : Als Kolbenmotor (Hub- oder Rotationskolben)

   ausgeführte Brennkraftmaschine.

   Zusatzanmeldung zu P 35 Π 941.1

   Patentansprüche

   MIyAls Kolbenmotor (Hub- oder Rotationskolben) ausgeführte Brennkraftmaschine herkömmlicher Bauart, ausgelegt nach Otto- oder Dieselverfahren im Viertakt- oder Zweitakt-Ladungswechsel mit einem direkten Auswurf jeder Kolbenstrecke, gleichgültig, ob Einraum- oder Mehrraumverbrennung mit einer oder mehreren Kolbenstrecken, in ein in die freie Atmosphäre mündenden Leitungssystem, wobei in einer ersten Strecke dieses Leitungssystems auch bei Mehrzylindermotoren noch ein gegenüber den anderen Kolbenstrecken unvermischter Durchsatz jedes einzelnen Kolbenstrekken-Auswurfes stattfindet, und zwar getrennt nach Druckwellen-Auswurf und Auswurf des nachfolgenden Gasquants,

   dadurch gekennzeichnet,

   dass dieses Leitungssystem eine langgestreckte Nachreaktionsstrecke darstellt, in welcher sowohl eine Flammennachverbrennung als Form einer chemischen Assoziation mit vorhandenem oder zugeführtem Sauerstoff der Luft zum Endausbrand der CO- und HC-Gehalte und Russpartikel des Abgases stattfindet wie auch eine chemische Dissoziation des NO zu On und Ν« ,

   und dass die Nachreaktionsstrecke, zur Beherrschung abrupter Wechselbeladungen als langgestreckter Hohlleiter, eingegrenzt in Prallwandungen, ausgeführt, zur Erzielung ökologischer Abgasqualität

   eine Beladungsstrecke aufweist, in welcher je nach Motorenart die Bedingungen für die hierzu erforderliche thermische Akkumulation, derer die thermischen Assoziationen und Dissoziationen bedürfen, vorliegen und neben den für thermische Nachreaktionen in Abgasstrecken bekannten Massnahmen

   ergänzt werden durch einen speziellen Katalog von Massnahmen, die Energie-

   ORlGlNAL INSPECTED

   ausschüttung der beim Kolbenstrecken-Auswurf dem Gasquant vorauslaufenden und sich von ihm lösenden Druckwelle aus ihrer kinetischen Form in thermische Energie zurückzuverwandeln.
2. 2. Leitungssystem gemtfss Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der vorlaufende Druckwellenauswurf wie der am Ausgang Kolbenstrecke vor sich gehende Auswurf eines Gasquants nach einer einbautenfreien Leitungsstrecke (14) in einen kleinräumigen Verteilerraum (15) zwecks unmittelbarer Divergenz in eine Mehrzahl in der Regel völlig gleichförmigerHohlleiter gelangen, deren Austrittsöffnungen so angeordnet sind,

   a) dass sie konvergent zueinander gerichtete Umfangswandungen (Fig.1 : 3220) des Folgeraums (32) beaufschlagen und danach, auf Punkt oder Strekke fokussierend, ineinanderlaufen,

   b) oder dass sie (vgl.Fig.2) , in einer gedachten Folgestrecke sich mit ihren axialen Linien Kreuzend, zueinandergerichtet dort direkt fokussierend ineinanderlaufen (Rohrbündel 103b gerichtet in Folgeraum 84/38).
3. 3. Leitungssystem gemäss vorigem Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass fokussierende Druckstösse in ein Stossrohr (323 in Fig.1) gelangen, das in Querschnitt und Länge ein abgestimmtes Bauelement darstellt und an dessen Ende Rückwurf an einer Prallwand (324) erfolgt.
4. 4. Leitungssystem gemäss vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass den Mehrfachstrahler (103 in Fig.1) durchlaufende (der Druckwelle folgende) Gasstrahlen bereits vor Umkehrströmung an der Prallwand (324) in der Ganzheit des oder der Folgeräume (32 und 323 und 84 ff.) eine Vielzahl von Kompressionsund Turbulenzfeldern (im Sinne eines Prandtlschen Mischungsweges) mit zugegebener Zusatzluft bilden.
5. 5. Leitungssystem gemäss vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass nach Rückwurf an einer Prallwand (324 in Fig.1) in einem Stossrohr (323) unter Neubildung der Stosswelle nach Durchsatz durch die vorherige Fokusstrecke ein zweites Stossrohr (38) durchlaufen wird, das stromabwärts auf eine weitere Prallwand gerichtet ist (3244), die Bestandteil eines volumengrösseren Verweilzeitraumes (325) ist.
6. 6. Leitungssystem gemäss vorigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass

   bei Mehrzylinderhubkolbenmotoren (bzw.Mehrscheiben-Rotationskolben) die Auf-

   einanderfolge mehrerer in der Regel axial angeordneter Stossrohre gemäss Anspruch 5 in der Weise erfolgt, dass (vgl.Fig.2) im Einlaufbereich (84) des zweiten Stossrohres (38) oder in dessen Streckenbereich weitere fokussierende Mehrfachstrahler-Auslaufzonen (103b in Fig.2) angeordnet werden.
7. 7. Leitungssystem gemäss einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der bei einer mindestens zweifachen Stossrohrfolge (vgl.Fig.2) vorgesehene primäre Brennort (32/324) mindestens in Bezug auf seine Umfangswandungen (3220) einer beiderseitigen Beaufschlagung mit heissem Rohgas (in Fig.2 innen aus Leitung 14a/l03 und aussen aus Leitung 14b/i5b) unterliegt.
8. 8. Leitungssystem nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Zusatzluftbeibringung mittels der Strömungsenergie des zulaufenden Rohgases innerhalb des Mehrfachstrahlers (103,103b) dadurch angeordnet wird, dass innerhalb der Strahlrohre querschnittsenge Luftrohre vorgesehen sind, aus denen Luft ejezierbar ist (1811, 1811b).
9. 9. Leitungssystem nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass bei extrem kurzer Auslegung des Leitungsweges zwischen Kolbenstrekkenauslass und Mehrfachstrahler bei Ottomotoren Begrenzungswandungen des Verteilerraumes (15,15a,15b) aussen von einem kühlenden Medium umflossen werden.
10. 10. Leitungssystem nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in der Kaltstartphase Summerzündung verwendet wird.
11. 11. Leitungssystem nach einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass als finale schalldämpfende Baugruppe ein Gerätkörper aus Aluminium-Strangpressteil verwendet wird, der nach einem System der thermischen Gasführung in Schliesskörper aus Chromstahl eingeschlossen ist (US-Patent 4,233.812. französ.Patent Nr.2388993, dt.Patentanmeldung P 3342077.7 ).
12. 12. Leitungssystem gemäss einem der vorigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass an Gerät oder Fahrzeug mitgeführte Schadstoffanzeige systemkonform in Abhängigkeit von der Temperatur der Nachreaktionsstrecke mit einer oder verschiedenen Bimetallfedern verschiedener Position abgestimmt wird.