DE3734616A1 - Kolbenmotoren mit verfahren zur reaktionsverbesserung in motorbrennraeumen und nachreaktionsstrecken - Google Patents

Description

Die vorliegende Anmeldung gibt hinsichtlich der verschiedenen Arten von Kolbenmotoren (Hubkolben und Rotationskolben, Zweitakt- und Viertaktverfahren) einen Überblick über die Weiterentwicklung des Verfahrens der Abgasbehandlung und ansaugseitigen Neuauslegung, wie es erstmalig zusammenfassend mit der PCT-Anmeldung mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 85/05 405 am 5. 12. 1985 vorgelegt worden und insbesondere durch die DE-OS 35 22 653 (Integrierte Lufteinzüge für Motorbrennraum und Nachreaktionsstrecke), die DE-OS 35 23 853 (sog. Verdichtungs-Divergenz), die DE-OS 35 24 885 (Welle/Gas-Separator), die DE-OS 36 13 673.5 (verschiedene Nachreaktions-Orte, Doppelfokussierung, Nachbrenner-Zündelement, Querspülungsführung), P 36 38 476.3, P 37 00 182.5 und bisherigen Zusatzanmeldungen (insbesondere P 37 14 831.1) weiterentwickelt worden war. Die vorliegende Anmeldung ersetzt das Divergierungsverfahren des Kolbenstrecken-Auswurfs, bei dem anfangs eine bündelartig angeordnete Gruppe identischer Rohre zylindrischer Form verwendet wurde, in ein Profilrohrbündel, bei dem jede Einzelleitung stromabwärts zu einer düsenartigen Verengung konvergiert. Es ergibt sich ein System der doppelten Konvergenz: erstens in bezug auf den gesamten Kolbenstrecken-Auswurf, zweitens in bezug auf die Form jeder Einzelleitung. Die thermodynamische Zustandsgröße der Enthalpie, also der Summe von innerer Energie und Verdrängungsenergie, die bereits durch Reflexion fast verdoppelbar ist, wird hierdurch weiter gesteigert. Die Konstruktionsform des Profilrohres hat besondere Vorzüge, und zwar besonders, wenn mit der Weglänge Verengungen vorgesehen sind: es ergibt sich durchgehende Strömungsturbulenz, welche ständig die Grenzschichten abräumt, die an den Wandungen zum Haften neigen; die Folge ist eine intensive Wärmeübertragung an die Wände 162/ 163 ff., an denen dies- und jenseitig ständig synchron der pulsierende Wärmestoß entlangläuft. Der Schritt vom zylindrischen Rohr zum Profilrohr mit Verengung erbrachte bereits einen Heißzonenaufbau vor der Fokussierungszone (32), die ein weiteres thermisches Plus hinzufügt. Daß es darauf ankommt, zeigte das schon der P 37 14 831 (Seite B7) beigefügte Meßblatt vom 27. 11. 1985 damit, daß bereits mit einer Reaktor-Temperatur, die mit nur 10°C die Temperatur im Auslaßkrümmer von 625° überschreitet, neben thermischem Endausbrand der brennbaren Schadstoffe auch die hochgradige Stickoxid-Dissoziation stattzufinden vermag.

Systemgrundlage der hiermit vorgelegten Anmeldung ist gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs das System des sog. Abruptauswurfes, wie es in P 37 00 182 vom 6. 1. 1987 in notwendiger Breite dargelegt wurde. Der kennzeichnende Teil (Abschnitte a bis e) des dortigen Hauptanspruchs bringt mit einer Fülle von Hinweisen zum Ausdruck, in welchem Anwendungsumfang das verstärkte Potential des Abruptauswurfes die Ansaugleistung aller Kolbenmotoren verstärkt. Innerhalb dieses Gesamtzusammenhanges ist der Anspruchsaufbau dieser Anmeldung zu beurteilen.

Aus diesem Zusammenhang ist auch die Aufgabenstellung zu sehen, die ein Sonderproblem des Divergenz/ Konvergenz-Verfahrens behandelt, wie es im kennzeichnenden Teil c des Hauptanspruchs von P 37 00 182 überblickartig beschrieben wurde. Dieses Sonderproblem besteht darin, daß für die Divergenz des Kolbenstreckenauswurfes in Teilstrahlen und Teilströme (=Druckwelle+Abgasquant) hier eine weiterentwickelte Konstruktionsform vorgelegt wird, welche das Bündel zylindrischer Strahlrohre der P 37 00 182 ersetzt durch die sowohl fertigungstechnisch wie funktionell günstigere Spezialkonstruktion eines Profilrohrbündels mit insbesondere drei Eigenschaften: erstens damit, die zylindrisch gleichförmige Form des jeweiligen Einzelrohres durch den Kompaktkörper eines Innenraumteils (166/162/163 in Fig. 1), das mit seinem Rippenteil (162/163 ff.) in den Hohlraum der Leitung (103) einschiebbar ist, zu ersetzen, zweitens jedem Leitungsverlauf stromabwärts eine düsenartige Verengung zuzuordnen, und drittens durch rippenartige Trennwände von Einzelleitung zu Einzelleitung durch gegenseitigen Wärmetausch einen Heißzonen-Aufbau bereits in der Divergenzphase einzuleiten. Letztere Möglichkeit bietet das Profilrohr, wie bereits oben beschrieben wurde. Diese Konstruktionsform ist Gegenstand des Hauptanspruchs.

Der Anspruch 2 folgt ebenfalls einem Grundgedanken der P 37 00 182, deren Fig. 1 bis 3 die Rohrbündelgruppe als Beschickungsleitung bei mehreren Umkehrspülungsbrennkammern (Mehrzylindermotoren) zeigten, jeweils gerichtet auf die Schrägwände 411. Die hier beigelegte Fig. 5 zeigt ein ähnliches Vorgehen bei Einzylindermotoren und betrifft die Vielzahl der Fahrzeug- und Industriemotoren, bei denen der Zweitaktmotor nach wie vor verwendet wird. Hierbei ist die Synchronstrecke 14/103/6/32/323 eine Kompaktkonstruktion, die sich in die gedrängte Bauform dieser Kleinanlagen integrieren läßt.

Die Ansprüche 3 und 4, erläutert durch die Fig. 2 bis 4, betreffen verschiedene Sammelrohr-Auslegungen bei Mehrzylindermotoren, und die Ansprüche 5 und 6 stehen unter dem zusammenfassenden Gedanken, innerhalb der Divergenz/Konvergenzphase sowohl innerhalb der einzelnen Synchronstrecke, die sich an nur einen Motorauslaß anschließt, wie bei Mehrzylindermotoren mit der Zylinderzahl entsprechenden Synchronstrecken völlig identische Leitungsbahnen, identische Aufprallwinkel und identische Auslegungen des Verdichtungsvorganges im Übergang aus der Fokussierungsphase in die finale Leitung der Synchronstrecken vorzusehen.

Die Fig. 1 unterstreicht mit der Darstellung, bezogen auf das Ende des Arbeitstaktes, bei einem Viertakt-Ottomotor die Be- und Entladungscharakteristik dieser Motoren, und zwar mit einem Betriebszustand, der zeigt, daß das Auslaßventil schon am Ende des Arbeitstaktes (bei noch heruntergehendem Kolben) öffnet, und die danach gezeichnete Wellenlinie deutet die dort sich aus der Abgasmenge bereits lösende Druckwelle an. Dieses in der bisherigen Abgasbehandlung bisher nicht deutlich genug ausgenutzte Phänomen des dualistischen Kolbenstreckenauswurfes mit vorlaufender Welle und nachlaufendem Abgasquant ist für alle konstruktiven Überlegungen, die zur Entwicklung der Synchronstrecke (nach Ventil oder Schlitz) führten, von ausschlaggebender Bedeutung. Da sie die kinetische Energie des Druckwellen-Auswurfes mittels Fokussierung der nach Divergierung entstandenen Teilstrahlen in der Konvergenzzone 32/323 weitgehend zwecks Bildung einer Heizzone, also in thermische Energie umsetzend, nutzen läßt, kann ohne Verbrauchserhöhung ein thermisches Plus erzielt werden, auf das in dieser Beschreibung oben bereits hingewiesen und als bedeutsam bezeichnet wurde. Viel bedeutsamer ist indessen der Begleiteffekt, den der Abruptauswurf von Welle und Quant am Ende des dem Schema Fig. 1 folgenden Gaswechselprozesses aufzuweisen hat: genau gesprochen im Ausschiebetakt von dem Moment an, in dem während noch geöffnetem Auslaßventil das Einlaßventil öffnet und in dieser Ventilüberschneidungszone durch den verstärkten Unterdruck des Abruptauswurfes eine verstärkte Ansaugleistung vor sich geht. Hier geschieht eine Ladungslufterhöhung des Ansaugprozesses, deren hoher Liefergrad durch die Eigenheit der hier vorgelegten Konstruktion unterstützt wird, durch das in die konische Leitungserweiterung (103) axial eingesetzte Innenraumteil (166 mit Umfangswandung 16 in Fig. 1 und 5) mit seiner fast den ganzen Folgeraum (32) abdeckenden stromabwärtigen Öffnung (1666) Schwingungs- und Gasquantenrückläufe in die primäre Auswurfstrecke (12/14/6) zu verhindern, ohne daß es dem an seinem stromaufwärtigen Teil aufprallenden Auswurf Widerstände entgegensetzt und Reibungsverluste einbringt. Letzteres war bereits in der Anmeldung P 37 27 461.9 (Seite 2 der Beschreibung) dargestellt worden. Es war dort auch darauf hingewiesen worden, daß die aus der stromabwärtigen Leitung (323) rücklaufenden Druckanteile nur bis in das Innenraumteil (166) gelangen können. Damit wird in der stromaufwärtigen Leitungsstrecke (12/14/6) die ständige Qualität einer praktisch widerstandsfreien Einwurfstrecke erhalten, wie sie in vorherigen Deponierungen des Anmelders als "Quasi-Leerraum" bezeichnet worden ist.

Diese verstärkte Beladungscharakteristik des Kolbenmotors führt bei Viertaktmotoren dazu, praktisch jede mit Zusatzlufteinzug verbundene Abgasnachbehandlung, wie sie zwecks Schadstoffbeseitigung ausgearbeitet wurden, erstens vollständig unterlassen zu können und zweitens die Leistungseinbußen, wie sie teilweise, insbesondere bei Katalysatoren, auftreten, vermeiden zu können. Prüfstanduntersuchungen an Mehrzylinder-Ottomotoren belegten vor allem bereits aus dem Kaltstart derart gesteigerte Endausbrandverhältnisse, daß die bisherige Auslegung der Abgasanlagen und der sie leitenden konstruktiven Gesichtspunkte nicht mehr hinnehmbar sein dürfte. Rein konstruktiv hat damit das Viertaktsystem, das mit seinem Ladungswechselspiel relativ zwangsläufiger Gasführung zwei Kurbelwellenumdrehungen benötigt, erneut einen interessanten Vorsprung aufzuweisen.

Wie Fig. 5 zeigt, wird indessen das Zweitaktsystem, dessen Vorsprung in der wesentlich ökonomischeren Fertigung liegt, seine Anwendungsgebiete ebenfalls voll behaupten können, da mit der nunmehr voll ausgereiften Nachexplosionstechnik diesem Spülsystem, das zu einem Arbeitsspiel nur einen Dehnungs- und einen Verdichtungshub braucht, also die halbe Zeit gegenüber dem Viertakter, mit der synchron arbeitenden Nachexplosionstechnik die Verweilzeitnachholung, die Endausbrand einfach erfordert, so gelungen ist, daß ebenfalls sofortige Schadstofffreiheit eintritt und sogar bei Hochleistungs- und Sportausführungen die viel höhere Literleistung des Zweitaktsystems erhalten werden kann. Auch das wurde durch neutrale Messungen belegbar.

Fig. 4 zeigt die Folgestrecke nach verschiedenen Synchron-Auswürfen bei einem Mehrzylinder-Ottomotor als Niedrigtemperatur-Sammelrohrausführung gemäß Anspruch 4. Die Schrägwand des Fahrtwind-Durchsatzrohres wird hierbei als praktisch rückwurffreie Prallwand verwendet (411).

Die Frage, inwieweit katalytische Nachverbrennungsmaßnahmen bei Viertaktmotoren weiter anwendungsfähig bleiben, entscheidet sich an ihrem Kernproblem, weder in der Kaltstartphase noch im größeren Leistungsbereich der Motoren zufriedenstellende Ergebnisse vorweisen zu können. Anspruch 7 weist auf die Möglichkeit hin, diese Mängel durch eine stromaufwärtige Vorschaltung der Synchronstrecke (12/14/103/32/323 im Sinne von P 37 14 831.1 oder P 37 21 486.1 oder P 37 27 461.9 oder der Fig. 1 dieser Anmeldung) beheben zu können. Eine solche Vorschaltung muß indessen gut abgestimmt vorgenommen werden, und es werden im Zusammenhang mit der Nachrüstung des Gebrauchtwagenmarktes auch derartige Serviceleistungen angeboten werden, um den großen Kostenaufwand der Katalysatorausrüstung, der im gegenwärtigen Gebrauchtfahrzeugmarkt investiert wurde, noch nutzen zu können. Eine solche Nachrüstung von katalysatorbestückten Fahrzeugen kann so vorgenommen werden, daß die spätere Auswechslungsnotwendigkeit des Katalysators ebenfalls entfällt.

An diesem Beispiel ist einsehbar, daß die Synchronstrecke der hier vorgelegten Entwicklung den stromaufwärtigen Teil der dem Auslaßventil folgenden Abgasanlage als technologisch jedem Gaswechselprozeß zugehöriges Motorenbestandteil zu klassifizieren ist. In der Beschreibung der Art, in welcher die Synchronstrecke die Luftbeladung im Motorbrennraum erhöht, ist dies auf Seite   (Zeile   ) dargelegt worden. Bei Nachrüstungsmaßnahmen der oben beschriebenen Art muß immer entschieden werden, inwieweit die Beibehaltung großvolumiger Katalysatoren und Schalldämpfereinrichtungen überholter Ausführung noch vertretbar ist.

Der wissenschaftlichen Thermodynamik ist durch eine Vielzahl von Untersuchungen geläufig (vgl. Fritz A. F. Schmidt, "Verbrennungskraftmaschinen", 4. Aufl., S. 203), welche Einflüsse auf die Steigerung des Gaswechselprozesses bereits allgemein dadurch entstehen, daß Drosselmaßnahmen innerhalb und nach dem Auslaßorgan vermieden werden. Es dürfte von diesen Überlegungen her dem Fachmann schnell einsehbar werden, daß die beschriebene Synchronstrecke, die in dieser Zone an die Stelle der Auswurf-Drosselung mit zugleich extremer Nutzung des Druckwellenauswurfes den "Abrupt- Auswurf" konstruktiv sichert, in systematischer Art eine Neuorientierung der Motorenabstimmung in der Weise einleitet, wie dies die Thermodynamik als "Weiterentwicklung des Arbeitsverfahrens" bei Kolbenmotoren seit langem erwartet (F. A. F. Schmidt, a. a. O., S. 16, 36/37, 97, 100).

Es darf gerade aus der Einsicht in die vielfältigen Bemühungen der wissenschaftlichen Thermodynamik und des praktischen Motorenbaus die Erkenntnis nicht bagatellisiert werden, daß der Abruptauswurf innerhalb der sog. Totraumspülung das innermotorische Potential eines vergrößerten Ladelufteinzugs mobilisierte, mit dem es gemäß P 37 00 182 auch bei Mehrzylindermotoren gelingt, unter Vermeidung der "Stummelauslässe", die in eine Gassäule überführt werden (vgl. Seite B9 von P 37 00 182), mit ständiger Nachexplosionsgelegenheit in einem oder einem weiteren Brennort die ökologisch richtige Abgasqualität unter allen Betriebszuständen der Motoren zu erreichen. Das in dieser Anmeldung entwickelte Profilrohrbündel ist ein einfach herstellbares Bauelement, mit dem der Teilstrahlenauswurf in der größten Umfangszone des Konvergenzraumes (32 in Fig. 1) zugleich mit der Kleinstdimensionierung einer engen Umfangszone (6) gelingt, deren raumgeometrische Position es nicht zuläßt, aus Rückwürfen von der Leitung 323 weder in Fig. 1 noch in den Anordnungen der Fig. 2 bis 5 in die stromaufwärtige Leitung (14) Widerstände einzubringen. Trotz der beim Kolbenmotor vorliegenden Begrenzung des Dehnungsverhältnisses durch den Hub ist es gelungen, mittels indirekter Begleitung des Abruptauswurfes durch erhöhten Selbstansaugeeffekt innerhalb des motorischen Verbrennungsraumes dem Kraftstoff/ Luft-Gemenge über alle Drehzahlen und Beladungsverhältnisse hinweg eine größere Luftmenge anzubieten.

Claims (10)

1. Kolbenmotoren mit Verfahren zur Reaktionsverbesserung in Motorbrennräumen und Nachreaktionsstrecken mit gleichzeitiger Neuabstimmung von selbstansaugendem Kraftstoff/Luft-Gemenge und der in die freie Atmosphäre mündenden Abgasleitung gemäß P 37 00 182 (sog. Abruptauswurf), dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Anordnung der Abgasleitung gemäß P 37 27 461.9 mit einer Randstrahlenfokussierung in der Weise, daß der Leitungsstrecke (14, vgl. Fig. 1) innerhalb eines sich konisch erweiternden Raumteils (103) durch Einfügung eines Innenraumteils (166 mit Umfangswandung 16) eine sich zunehmend verengende Strömungsdurchsatzzone (6) folgt, die etwa mittig in einen volumengrößeren Raum (166/32) mündet, an dessen stromabwärtiger Zone (32) an konvergierenden Wandungen (17) fokussierend der Übergang in eine gleichförmige Rohrstrecke (323) erfolgt, die Druckwelle und Abgasquant auch bei Mehrzylindermotoren unvermengt mit anderen Auswürfen aus dem oder den Motorbrennräumen erneut verdichtet, und die Halterung dieses Innenraumteils (166 mit Umfangswandung 16) so vorgenommen wird, daß mindestens ein Hauptteil der zwischen Innenwandung des Raumes (103) und Außenwandung (16) des Innenraumteils (166) gebildeten Durchsatzzone (6) von radial verlaufenden rippenartigen Wandungen (162/ 163 ff.) durchquert wird, mit denen die Unterteilung dieser Durchsatzstrecke (6) in eine Mehrzahl sich in Durchströmrichtung je einzeln verengender Leitungen erfolgt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einzylindermotoren, die infolge ihres Spülsystems (Zweitakt-Ottomotoren) oder infolge ihrer ansaugseitigen Auslegung eines abgasseitigen Zusatzlufteinzugs bedürfen, der Auswurf aus diesem Finalelement der Synchronstrecke (12/14/103/6/32/323) gemäß Anspruch 1 von P 37 14 831.1 in Richtung einer rotationssymmetrisch gleichförmigen Schrägwand (411 in Fig. 5) großen Umfangs stattfindet, die

• a) zugleich die Umkehrwandung einer Umkehrströmungsbrennkammer darstellt, für welche
• b) die finale Auswurfleitung (323) der Synchronstrecke zugleich die Beschickungsstrecke bildet, in welcher Zusatzluftejektionsrohre vorgesehen sind (4).

3. Verfahren gemäß vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Zusammenfassung mehrerer Kolbenstrecken-Auswürfe in Sammelstrecken dies bei Auslegungen, die einer Wärmespeicherung bedürfen, so erfolgt, daß diese Sammelstrecken (52 in Fig. 2 und 3) innerhalb der Volumen positioniert sind (K 1), in welche die Synchronstrecken unmittelbar einmünden.

4. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Zusammenfassung mehrerer Kolbenstrecken-Auswürfe in Sammelstrecken, die in niedrigem Niveau zu halten sind, dies dadurch erfolgt, daß (vgl. Fig. 4) die Einschwingvolumen (K 1) der Synchronstrecken von Kühlleitungen durchsetzt werden (410/412).

5. Verfahren gemäß vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Divergieren des Kolbenstrecken-Auswurfes in eine Vielfalt von profilrohrartigen und sich stromabwärts verengenden Einzelleitungen zu völlig identischen Leitungsbahnen führt.

6. Verfahren gemäß vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß auch bei sammelrohrartigen Zusammenführungen verschiedener Kolbenstrecken- Auswürfe nach den einzelnen Synchronstrecken, die je konform mit dem Motorbrennraum, von dem sie emittiert werden, im Gaswechseltakt verbleiben, untereinander identische Konvergenzpositionen am Umfang der Konvergenzräume (32), identische Aufprallwinkel an den konvergierenden Flächen (17) und identische Auslegungen des Verdichtungsvorganges im Übergang aus der Fokussierungsphase in die finale Leitung der Synchronstrecken vorgesehen werden.

7. Verfahren gemäß Hauptanspruch, dadurch gekennzeichnet, daß durch stromaufwärtige Vorschaltung der Synchronstrecke die Kaltstartmängel und die Leistungseinbußen von Katalysatoranlagen beseitigt werden.

8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Mehrzylindermotoren in den stromabwärtigen Rohrleitungsteil (323) einer Synchronstrecke auch andere rohrartige Leitungen (323/2 in Fig. 1) dieser Art, die an andere Kolbenstreckenauswürfe angeschlossen sind, einmünden.

9. Verfahren gemäß vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Fahrzeugmotoren, die nach Drehzahl und Beladungsintensität ständig hohen Wechselbeladungen ausgesetzt sind, die Zusammenfassung mehrerer Synchronstrecken so stattfindet, daß

• a) die einzelne Synchronstrecke nach dem Fokussierungsbereich (32/323 in Fig. 1) vorerst in ein Zwischenvolumen (K 1 in Fig. 1) und danach über eine konisch sich verengende Strecke (33) in eine rohrartige gleichförmige Leitung (52) übergeht, in der
• b) die in Anspruch 8 beschriebene sammelrohrartige Zusammenfassung mehrerer Kolbenstreckenauswürfe angeordnet wird.

10. Verfahren gemäß vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenvolumen und konvergierenden Folgestrecken (K 1+33 in Fig. 1) in allen Anwendungsfällen identisch mit der vorhergehenden Synchronstrecke (103/6/32/323) ausgeführt werden, so daß die Streckenfolge 14/103/ 6/32/323, beginnend mit der Rohrleitung 323, welche alsdann die Rohrleitung 14 ersetzt, in zweifacher identischer Hintereinanderfolge vorgesehen ist.