Arbeitsverfahren selbstansaugender Mehrzylinder-Kolbenmotoren

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren für selbstansaugende Mehrzylinder-Kolbenmotoren zur Verbesserung des Endausbran­des in den Motorbrennräumen und besteht darin, dass der Mehrzylindermotor je Auswurf des einzelnen Zylinders eine Abgasstrecke innerhalb eines rohrartigen Leitungssystems (14/323) unvermengt mit den anderen Zylinder-Auswürfen auf­weist und dass alle Leitungsstrecken (14/323) der einzelnen Zylinder mit ihren Ausmündungen (3233) in ein alle Abgase zusammenfassendes Schubdüsensystem gelangen, das ein­schliesslich des Langrohres (52), in das es ausmündet, Be­standteil einer Leitungsstrecke ist, in der ab Anflansch­zone an den Motor infolge Schrägwandungen keine Strömungs­umkehr stattfindet und ein Strömungskontinuum mit unter­brechungslos nachsaugender Wirkung innerhalb Selbstansaug­strecken jeder Art mit höherem Luftbeladungsgrad darstellt.
Dieses Verfahren erweitert in allen Motorbrennräumen inner­halb des eingeführten Kraftstoff/Luftgemisches mit Mitteln des Ladungswechsels den Luftbeladungsgrad in einer bisher nicht möglichen Höhe. Die Folge ist eine neue Möglichkeit des schadstoffarmen Motorenbetriebs und eine wesentliche Erhöhung der Motorleistung bei gleichzeitiger Verkleinerung der Brennstoff-Dosierungselemente.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren selbstansaugen­der Mehrzylinder-Kolbenmotoren durch besseren Endausbrand in den Motorbrennräumen.

[0002] Die Ausreifung des Kolbenmotors wurde bisher durch den Umstand blockiert, dass es nicht gelang, in der Beladung des Motorbrennraumes das Kraftstoff/Luftgemisch in Bezug auf den Luftbeladungsgrad nur durch einfachen Ladungswechsel aus­reichend zu steigern. Es ist bekannt, dass es nichts nützt, der Motorbrennraumbeladung einfach nur grössere Mengen Kraftstoff zuzuführen; denn zur Einhaltung des Mischungs­verhältnisses muss vielmehr auch eine entsprechend grosse Menge Luft zugeführt werden, was viel schwieriger und die Aufgabe des Ladungswechsels ist.

[0003] Auch die bekannten verschiedenen Aufladegeräte, die dieses Problem mittels Luftaufladung zu lösen versuchten, konnten sich nicht durchsetzen. Sie verliessen das in den Kolben­motoren vorhandene Selbstansaugesystem, das allerdings den Mangel hat, nur eine begrenzte Luftaufladung anbieten zu können.

[0004] Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Luftbeschaffungsgrenzen erhöht, der Schadstoffanfall gesenkt und zugleich die Motorleistung wesentlich gesteigert werden kann.

[0005] Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0006] Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird ein Problem gelöst, mit dem der Motorenbau seit Otto und Diesel unauf­hörlich befasst ist, nämlich um die Art, in der Luft zuge­führt wird; denn allein mittels einer "Verarmung" des Gemisches, also der blossen Erhöhung des Luftanteils, geht es nicht, da ein mit Überluftanteil beladenes Gemisch des Motorbrennraumes zwischen den brennbaren Teilchen zu viele zur Verbrennung unfähige Teilchen als Ballast aufweisen würde. Die Folgerung ist, dass das Regelverfahren erhalten bleiben muss, mit dem beispielsweise der Vergaser bei allen Laststufen des Motors das Mischungsverhältnis in der Nähe des Lambda 1 aufrechterhält, und zwar bei allen Motorbrenn­räumen eines Reihenmotors. Für das erfindungsgemässe Ver­fahren ist es vorteilhaft, wenn die Reaktionskette des Selbstansaugvorganges erhalten bleibt und ansaugseitig ebenso wie abgasseitig keine Energieverluste auftreten. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist vorgesehen, dass

a) je Motorenzylinder ein in den Zeittakt jedes einzelzylindrischen Gaswechsels gebundener Abruptauswurf stattfindet und

b) dessen Ausmündung in das schubdüsenartig ausgeführte Sammelvolumen abrupt erfolgt, welches

c) erneut schubdüsenartig in das auf die richtigen Querschnitte abgestimmte Lang­rohr übergeht.

[0007] In diesem Konstruktionszusammenhang entsteht innerhalb des Ansaugsystems aus doppeltem Abruptauswurf die erhöhte Luft­einbringung, derer der Endausbrand in Brennräumen des Mehr­zylinders bedarf und der mit dem doppelten Klappensystem je Betriebszustand genau einstellbar ist.

[0008] Der "Abruptauswurf" ist als ein Kolbenstrecken-Auswurfsystem definiert, das insoweit das verstärkte Potential für einen kolbenmotorischen Beladungsprozess darzustellen vermag, als es die Ansaugleistung in solcher Weise verstärkt, dass die Prüfstandabstimmung bereits ab Kaltstart des Motors, bei dem heutige Serienauslegungen Beladungen bis nahe an die fette Aussetzergrenze mit hohen Schadstoffgehalten der Abgase erzeugen, praktisch schadstoffreie Abgasemissionen mittels leistungsunschädlicher Neuauslegung der Kraftstoff- und Luftdosierungsorgane und begleitender Massnahmen ermöglicht. Konstruktiv lässt sich dieses Phänomen darstellen in Ver­bindung mit differenzierender Divergenz/Konvergenz entweder als Zerlegung des Auswurfes mittels eines Strahlrohrbündels in eine Mehrzahl von Gasstrahlen, die, was als Konvergenz bezeichnet wird, zur Fokussierung gebracht werden oder als Bildung verschiedener Verdichtungsstösse mittels Schrägwand und danach ebenfalls fokussierend.

[0009] Die Erfindung formuliert ausdrücklich die Konstruktion des Schubdüsen-Konvergenzvolumens aus der Qualität der Leitungs­strecken des Mehrzylinder-Kolbenstreckenauswurfes, zusätz­liche thermische Energie mittels Schrägflächenreflektion der voreilenden Druckwelle in fokussierenden Durchsatzstrecken zwecks Endausbrand zu bilden und zugleich die nachsaugende Wirkung durch eine lorindüsenartige Raumgeometrie zur Beladungsverbesserung zu steigern.

[0010] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines lorinartigen Düsenraumes mit in diesen getrennt einmündenden Abruptauswurf­strecken,

Fig. 2 den Verlauf einer Abgasleitungsstrecke eines Zylinders ab der Anflanschzone an den Motor,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch einen Einzylinder-Kolbenmotor.

[0011] Die Mehrzylinder-Schubdüse gemäss Figur 1 enthält ent­sprechend der Zündfolge, mit der Mehrzylindermotor ausgelegt ist, an ihrer sich zunehmend erweiternden Längserstreckung auf die gegenüberliegende Schrägwand 411 gerichtete soge­nannte Abruptauswurf-Ausmündungen je Zylinder, die hierdurch im Düseninnenraum K1 in einen Gesamtwirkungsgrad ihrer Ver­drängungsenergie gebracht werden, mit dem der stromabwärtige Teil dieses Innenraumes K1 gefüllt wird, der zunächst in erweiterter Form gerade oder gekrümmt rohrartig ausgeführt ist. Die sich anschliessende gleichmässig etwa konsiche Ver­engung 42 geht in ein durch Abstimmung auf Motorleistungs­zuwachs ausgelegtes Langrohr 52 über, für das in den Boden­ gruppen der Kraftfahrzeuge Raumbedingungen vorliegen und das nach Umgehung der Hinterachse in eine finale Schall­dämpfungsgruppe mündet. Die Ausmündungen 3233 ragen nur unwesentlich oder überhaupt nicht in den Innenraum K1 ein. Die inneren Wandungen 410/411 des Raumes K1 sind als Hohl­leiter-Wandungen gezeichnet, um dadurch zum Ausdruck zu bringen, dass es sich hier um eine energieverlustlose Wellenleiter-Qualität handelt muss, bei der Verluste von Impulsenergien, wie sie in der Regel bei motorischen Abgas­leitungen beabsichtigt werden, vermieden werden müssen. Der aus den Ausmündungen 3233 anfallende Schwingungsanteil soll weiterhin erhalten bleiben, da er alle nachreaktiven Um­setzungen, für die im Abgas die chemischen Bedingungen ins­besondere bei Wärmeanfall vorliegen, intensiv fördert.

[0012] Das Doppelklappensystem der Ansaugseite gemäss den Merkmalen des Anspruchs 5 beeinflusst das gegenüber bisherigem Stand der Technik energetisch höhere Auswurfsystem des Kolben­motors ab Kaltstart in der Weise, dass schon in der Warm­laufphase im CO- und HC-Bereich die erzielbaren Minimalwerte erreicht werden, die durch alle Betriebszustände hindurch - richtige Abstimmung vorausgesetzt - beibehalten werden und die Motorleistung nicht verringern, wohl aber die bisher dort ausgeworfenen Verlustenergien der Motorbeladung in wesentlich kleinere Kraftstoffdosierungen der Ansaugseite zu gehen. Während die Motorenabstimmung des bisherigen Standes der Technik sowohl im Warmlauf wie auch in allen höheren Lastzuständen beispielsweise des Ottomotors in der Regel zwischen 2 und 5 Volumenprozent CO-Werte auswirft, sind nun­mehr auch dort radikale Verminderungen des CO-Auswurfes innerhalb einer Spanne zwischen 0,03 und 0,3% ermöglicht. Bedeutsam ist hierbei, dass dies nicht mit additiven Ge­räten, wie Katalysatoren und ggf. ausschliesslich Thermo­reaktoren, erreicht wird und auch weder eines nachträglichen Zusatzlufteinzuges und der Fremdzündung innerhalb der Abgas­anlage bedarf, sondern dass es die Folge eines technologisch neu geordneten Gaswechseldurchsatzes im Gesamtbereich An­saugseite/Motorbrennraum/Abgasseite darstellt.

[0013] Die erfindungsgemässe Technologie des kolbenmotorischen Gas­wechselprozesses erhöht beim Spülsystem des Ottomotors in­nerhalb aller Motorbrennraumbeladungen Kraftstoff/Luftmenge den Luftbeladungsgrad mittels energetisch neuer Abstimmung des gesamten Leitungssystems. Das hat nicht nur saubere Motorenabgase zur Folge, sondern ebenso die Möglichkeit, in­folge Vermeidung bisheriger Verlustenergien eine verbesserte Motorleistung zu erzielen.

[0014] Die von der Anflanschzone des Motors ausgehende Leitung 14 geht über in ein Rohrbündel 103 ff, das im Raum 135, der sich konisch erweitert, gespreitzt so ausgelegt ist, dass die Ausmündungen auf die innere Umfangswandung eines düsen­artig sich verjüngenden Folgeraumes 32 gerichtet sind, so dass Welle und Abgasquant nach Reflexion fokussieren. An den Folgeraum 32 schliesst sich eine Leitung 323 an, deren Mündung 3233 ggf. mit dem lorindüsenartigen Entspannungsraum K1 aus Figur 1 oder einem Sammelrohr in Verbindung steht. Gemäss dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 gelingt es, in der Leitung 14, 323 einen so starken Auswurfgrad von Druck­welle und Abgasquant zu erreichen, dass die Ansaugleistung und zugleich das Kraftstoff/Luftgemisch in Bezug auf eine Erhöhung des Luftanteils im Bereich aller Betriebszustände des Motors verbessert wird.

[0015] Die in der Figur 3 dargestellte Ausführungsform verzichtet auf das Rohrbündel 103 ff der Figur 2 und stellt eine Konstruktion zur Realisierung eines Divergenz/Konvergenz-­Systems ohne Rohrbündel dar. In der Schemazeichnung ist eine Kolbenstrecke am Ende des Arbeitstaktes eines Viertaktmotors dargestellt, bei dem bereits die Öffnung des Auslassventils stattgefunden hat. Während die Kolbenstrecke noch mit dem mehr oder weniger ausgebrannten Abgas (gepunktete Fläche) gefüllt ist, springt sofort nach Auslassventilöffnung (30 bis 60° Kurbelwinkel vor dem unteren Totpunkt) die Druck­welle - dargestellt als Wellenlinien - voreilend dem Abgas­quant heraus. Sie ist Stosswelle, ein Energieauswurf, der sich von der Kolbenfläche her, die sofort den Weg zum oberen Totpunkt antritt, ausbreitet.

[0016] Der Abruptauswurf der vorliegenden Gesamtentwicklung steht unter der Aufgabenstellung, für die Summe der Drehzahlen und Drehmomente des Motors innerhalb einer Leitungsstrecke, die als gleichförmiges Rohr 14 und 323 ausgebildet ist, eine Zone begrenzten Volumenanstiegs auszubilden, die konstrucktiv die Qualität hat, innerhalb der Ventilüberschneidungszone mittels einer energetisch kräftigeren Auswurfleistung erstens die Selbstansaugleistung in den Motorbrennraum zu verstärken, sobald noch vor dem Ende des Ausschiebehubs das Einlassventil öffnet und zweitens die kinetische Energie des Auswurfs zu verwandeln in thermische Energie. Die Massnahme der Erfindung besthet darin, eine Durchsatzstrecke optimaler Energiebewahrung zu schaffen, welche nicht die Reibungsver­luste aufweist, welche bei der Zerlegung des Gasstromes eines Rohres in mehrere Rohre wesentlich kleineren Durch­messers auftreten. Erreicht wird dies u.a. mit der Bildung eines sehr gleichförmigen spaltartigen Ringsraumes 6, der aus der Position des Umfanges der Folgezone 17 (= Konver­genz- bzw. Fokussierungszone) entlang den sich stromabwärts konisch verengenden Innenwandungen die fokusartige Ver­dichtungszone mit gleitendem Übergang in die Rohrstrecke 323 bewerkstelligt.

[0017] Infolge der verschiedenen Geschwindigkeiten von Druckwelle und Gasquant wird bei dieser Konstruktion die langsamer durchgesetzte Abgasmenge insbesondere im stromabwärtigen Teil der Leitungsstrecke mehrfach überlaufen, wobei der Reflexionverzehr im Raumbereich 17/323 auszulegen ist. Da die aus der stromabwärtigen Leitung rücklaufenden Druckan­teile nur bis zum Innenraumteil 166 gelangen können, bleiben Druck und Dichte der Leitungsstrecke 12/14 zwischen den Aus­würfen gegenüber bekannten Ausführungen extrem niedrig und sind zugleich den hohen Unterdrücken der ständig abfliessen­den stromabwärtigen Zonen 323 bis 38 ausgesetzt. Das fördert zugleich den der Druckwelle folgenden Gasdurchsatz. Es hängt von dem gewünschten isothermen Niveau des Streckenbereichs 14/323 ab, wo und inwieweit Aussenisolierung angewendet wird.

Ansprüche

1. Arbeitsverfahren selbstansaugender Mehrzylinder-Kolben­motoren durch besseren Endausbrand in den Motorbrenn­räumen, dadurch gekennzeichnet,
dass der Mehrzylindermotor je Auswurf des einzelnen Zylinders eine Abgasstrecke innerhalb eines rohrartigen Leitungssystems (14/323) unvermengt mit den anderen Zy­linder-Auswürfen aufweist und dass alle Leitungsstrecken (14/323) der einzelnen Zylinder mit ihren Ausmündungen (3233) in ein alle Abgase zusammenfassendes Schubdüsen­system gelangen, das einschliesslich des Langrohres (52), in das es ausmündet, Bestandteil einer Leitungsstrecke ist, in der ab Anflanschzone an den Motor infolge Schräg­wandungen keine Strömungsumkehr stattfindet und ein Strömungskontinuum mit unterbrechungslos nachsaugender Wirkung innerhalb Selbstansaugstrecken jeder Art mit höherem Luftbeladungsgrad darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schubdüsensystem lorindüsenartig von einem kleinsten Querschnitt her innerhalb der Zone, in welche die Aus­mündungen (3233) der einzelnen Zylinder gerichtet sind, in eine gleichförmige querschnittsgrösste Zone (K1) über­geht, die keine sprunghaften Raumänderungen aufweist und deren Übergang in die Langrohrleitung (52) einen sehr allmähligen Verengungsgrad enthält, welcher der dort eintretenden Geschwindigkeitszunahme bei Beladungs- und Drehzahlsteigerung one Energieverlust zu folgen vermag.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­durch gekennzeichnet, dass das Langrohr (52), dessen Auslegung abstimmungsgerecht zwecks Aufrechterhaltung der Leistungssteigerung, welche die Offen-Rohr-Messung zeigt, auch noch vor Übergang in ein schalldämpfendes Final­element zweistufig in der Weise auslegbar ist, dass aus dem stromabwärtigen Teil des Raumes (K1) über die ver­engende Zone (42) der Eintritt in eine erste Langrohr­strecke mit einer solchen Querschhnittsdimensionierung ermittelt wird, die in der sich anschliessenden Langrohr­strecke eine nach ähnlicher Verengungszone (wie 42) wähl­bare um etwa die Hälfte verringerte Querschnittsdimen­sionierung verträgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­durch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der Schub­düse hinsichtlich ihres Querschnittsanstiegs so erfolgt, dass ihr stromaufwärtigster Querschnitt einem Rohrdurch­messer (323/4) entspricht, bei der zweiten Rohreinlauf­position (323/3) dem zweifachen, bei der dritten (323/2) dem dreifachen und so fort.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­durch gekennzeichnet, dass der ansaugseitige Teil der Leitungsstrecke mit einer Abstimmung auf kleinstmögliche Kraftstoffdosierungen zugleich mit einem Doppelklappen­system versehen wird, das die übliche Starterklappe und die sog. Drosselklappe so miteinander koppelt, dass für jeden Betriebszustand eine spezielle Einstellung des mit den beschriebenen abgasseitigen Massnahmen verbesserten Luftbeladungsgrades bezogen auf die neu gewählte Kraft­stoff- Dosierung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­durch gekennzeichnet,dass etwa mittig dieser Leitungs­strecke (14/323) eine Zerlegung des Abgasstroms in mehrere identische Teilstrahlen (= Divergenz) durch ein Rohrbündel (103 ff) erfolgt, die mittels Reflektion an Innenwandungen des Folgeraums (32 in Fig. 2) fokussierend eine Heisszone bilden (= Konvergenz) und im Zeittakt des Gaswechselprozesses mit dieser Temperaturerhöhung in den stromabwärtigen Teil (323) dieser Leitungsstrecke weiter­laufen (vgl. Figuren 2 und 3).

Zeichnung