DE2362056A1

DE2362056A1 - Luftzufuehrungseinrichtung fuer das auspuffsystem eines verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE2362056A1
Application number: DE2362056A
Authority: DE
Inventors: Josef Dr Ehrlich
Original assignee: Outboard Marine Corp
Current assignee: Outboard Marine Corp
Priority date: 1972-12-13
Filing date: 1973-12-13
Publication date: 1974-06-27
Also published as: GB1456025A; IT1000289B; JPS4987917A; BE808548A; FR2214323A5; SE401233B; JPS5846646B2; AU472020B2; CA1025673A; AU6281973A

Description

"Patentanwälte Dipl.-T*^tg f. Wt'crMA^N,

DiPL.-In.G. H. W⁷EICKMANN, DiPL.-PhYS. DR. K. I⁷INCKE

: Dipl-Ing. F. AAVeickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

SAHA , s MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH S6O82O MÜH1.STRASSE 22, RUFNUMMER ',"8 39 21/22

OUTBOARO MARINE CORPORATIOIi, 100 Seahorse Drive, Waukegan,

Illinois, 7.St₀A₀

LuftZuführungseinrichtung für das Auspuffsystem eines . Verbrennungsmotors« *

Die Erfindung betrifft eine Luftzuführungseinrichtung zum Einleiten von Luft in das Auspuffsysteia eines Verbrennungsmotors, der einen Luftauslaß hat, durch, welchen, gesteuert durch eine periodische Öffnung des Luftauslasses, nacheinander Abgaspulse strömen. Sie findet besondere Anwendung zur Minderung der Luftverunreinigung durch einen Verbrennungsmotor, indem sie die Verbrennung unverbrannter Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in den A-bgasen des Motors in dem Auspuff system bewirkt oder unterstützt.

Die Erfindung will eine Anordnung zum Einpumpen oder Zuführen von Luft in ein Auspuffsystem schaffen« Gemäß der Erfindung soll die Luft in einen Auspufftopf oder in einen anderen Teil der Abgasabführung eingeleitet werden, um in Abhängigkeit von der pulsierenden Strömung der Abgase durch den Auspufftopf unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid nachzuverbrennen.

Zur.Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung in einer Einrichtung der eingangs genannten Art ein Auspuffrohr vor, das Mittel aufweist, um Luft gesteuert durch die pulsierende Strömung der Abgase durch das Auspuffrohr in dieses einzuleiten oder einzupumpen»Diese Luftzuführungseinrichtung umfaßt die

Anordnung eines Lufteinlasses in dem Auspuffrohr oder dem Auspufftopf, sowie ein "Ventil, das während der Perioden pooitiven Druckes in dem Auspuffrohr die Einströmung von Luft durch den Lufteinlaß verhindert und während der Perioden negativen Druckes in dein Auspuffrohr Luft durch den Lufteinlaß einströmen läßt, und schließlich noch Mittel, um in dem Auspuffrohr periodische [Druckschwankungen zwischen dem positiven Druck und dem negativen Druck hervorzurufen, während Abgas durch das Abgasabführungssyfstem strömt, um so "bei Unterdruck in dem Auspuffrohr Luft in dasselbe einströmen au lassen. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das Ventil aus einem Zungenventil, das im Inneren des Auspuffrohres an einer solchen Stellung angebracht ist, daß es den Lufteinlaß während der tiberdruckperioden schließt und während der Unterdruekperioden Luft durch den Lufteinlaß eintreten läßt. Die Mittel zum Erzeugen von Druckschwankungen umfassen Anordnungen zum periodischen Öffnen des Auspuffschlitzes des Motors, um durch diesen eine Druckwelle austreten zu lassen, sowie eine solche Ausbildung des Auspuffrohres, daß eine "Verdünnungsweile, d. i. ein negativer Druckimpuls, erzeugt wird, der durch das Austreten einer positiven Druckwelle nach dem Öffnen des Auspuff Schlitzes des Motors hervorgerufen wird. Dieser negative Druckimpuls wird dazu ausgenützt, den Eintritt von Luft in das Auspuffrohr einzuleiten, und die eintretende Luft wird dazu benützt, unverbrännte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid in den Abgasen au verbrennen.

In einer besonderen Ausbildung, die für die Minderung der Luftverunreinigung bestimmt ist, wird die durch den Lufteinlaß eintretende Luft zu einer V/ärmespeicherungszone geführt, die in einem Auspufftopf angeordnet und durch Isolation von wenigstens einem Teil des Auspufftopfes, vorzugsweise nächst dem Einlaß, geschaffen ist und die eine Wärmesenke aufweisen kann, die die Form eines Metallgeflechtes haben kann und vorzugsweise in dem isolierten Bereich, liegt,

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In einer anderen zweckmäßigen Ausführung- wird die einströmende Luft in die Nachbarschaft eines Katalysators geleitet, der in einem isolierten Teil des Auspufftopfes, vorzugsweise nächst dem Einlaß, angeordnet ist.

V/eitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben- sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:

PigO eine sehematische Ansicht eines Verbrennungsmotors mit einem Abgassystem, das Merkmale der Erfindung enthält; .

Fig.2 eine sehematische Ansicht eines 'Verbrennungsmotors mit einer Auspuffanordnung, in der verschiedene Merkmale der Erfindung enthalten sind;

Pig.3 eine Schnittansicht nach der Linie 3-3 der Fig.2;

Pig.4 eine sehematische Ansicht eines anderen Verbrennungsmotors rai.t einer Auspufftopfanordnung gemäß der Erfindung.

Iil Pig.1 ist eine Ausführungsform eines Verbrennungsmotors 111 schematisch dargestellt, der einen Zylinder 112 mit. einem' Auspuffschlitz 113.hat und im Betrieb eine pulsierende Abgasströmung von diesem Auspuffschlitz her liefert. Die Erfindung ist a,uf alle Verbrennungsmotoren anwendbar, die eine pulsierende Abgasströmung erzeugen. In dem vorliegenden Beispiel ist der Verbrennungsmotor ein"-Zweitaktmotor mit einem Kolben 115, der bei seiner Bewegung den Auspuffschlitz 113 öffnet und schließt. An den Auspuffschlitz 113 ist ein.Auspuffsystem 117 angeschlossen, das ein mit dem Auspuffschlitz 113 in Verbindung stehendes Auspuffrohr 119 hat mit einem Auslaß 123 zur Atmosphäre.

Beim Betrieb des Motors 111 öffnet sich der Auspuffschlitz ' 123 periodisch und verursacht eine periodische Strömung positiver Abgasdruckimpulse oder Druckwellen durch das Auspuffrohr 119 und den Auslaß 123 zur Atmosphäre.

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Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung vorgesehen, um unter" der Steuerung durch die pulsierende Abgasströmung im Auspuffsystem 117 luft in das Auspuffrohr 119 zu pumpen oder einzuspeisen. Hierzu ist das Auspuffrohr 119 mit einem Lufteinlaß 127 versehen, der mit der Atmosphäre in Verbindung steht, und mit einem Steuerorgan für die Einströmung in Form eines Ventils, das den Lufteinlaß 127 im Auspuffrohr 119 in Abhängigkeit von dem pulsierenden Druck als Folge der Abgasströmung durch das Auspuffsystem 117 vom Auspuffschlitz 113 her öffnet und schließt.

Das Steuerorgan für die Strömung arbei-tet in der Weise, daß es während der Unterdruckperioden im Auspuffrohr 119, d.i. wenn der Druck im Auspuffrohr 119 unter Atmosphärendruck liegt, Luft in das Auspuffrohr 119 einströmen läßt und v/ährend der Überdruckperioden in dem Auspuffrohr 119» d.i. wenn der Druck im Auspuffrohr 119 über dem Atmosphärendruck liegt, einen Austritt von Luft durch den Lufteinlaß 127 verhindert.

Als Steuerorgan für diesen Zweck sind verschiedene Anordnungen möglich; in der veranschaulichten Konstruktion ist das Steuerorgan ein Zungenventil 131 der herkömmlichen Art, das im Inneren des Auspuffrohres 119 derart angeordnet ist, daß es den Lufteinlaß 127 "bei berrsehendem Überdruck im Auspuffrohr 119 schließt und bei Unterdruck im Auspuffrohr 119 öffnet, um eine Einströmung von Luft in das Auspuffrohr 119 zu bewirken.

Die Luftzuführungseinrichtung zum Einleiten von Luft in das· Auspuffrohr 119 weist auch noch Mittel auf, um in dem Auspuffrohr 119 periodisch einen Unterdruck zu erzeugen.. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel bestehen diese Mittel aus der Anordnung, durch welche der Kolben 115 periodisch den Auspuffschlitz 113 öffnet und schließt, um so durch den Auspuffschlitz 113 eine Druckwelle zu entlassen, sowie aus dem Auslaß 123, der auf den Austritt eines positiven Druckimpulses

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als Folge der Öffnung des'AuspuffSchlitzes' 113 einen negativen Bruckimpuls, d.i. eine Verdünnungswelle, erseugt, die durch das Auspuffrohr 119 zurückwandert und das Zungenventil 131 von dem Lüfteinlaß 127 wegbewegt, so daß Luft in das Auspuffrohr '119 einströmt _o

Im Betrieb kommt es in dem Auspuffrohr 119₉ gesteuert durch die pulsierende Abgasströmung, abwechselnd zu Überdruck- und Unterdruekzuständen, die dazu ausgenützt werden, Luft durch den Lufteinlaß 127 in das Auspuffrohr 119 einzuleiten, um dadurch die Verbrennung der unv'er brannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids in dem Abgas zu ermöglichen oder zu unterstützen und, die unerwünschte Luftverunreinigung durch die Auspuffgase zu vermindern.

In. Pig.2 und 3 der Zeichnungen ist ein weiteres Beispiel eines Verbrennungsmotors 11 dargestellt, der besonders dafür bestimmt .ist, die. Luftverunreinigung durch Abgase zu steuern, indem die noch unverbrannten brennbaren Bestandteile in dem Abgas nachverbrannt werden» Der Motor 11 weist einen Auspuffschlitz 13 auf und liefert im Betrieb durch die Bewegung eines Kolbens 15 eine periodische oder pulsierende Abgasströmung von dem Auspuffschlitz 13 her. An den Auspuffschiita 13 ist,ein Auspufftopf 17 angeschlossen, der im Inneren eine Kammer 19 hatj die über einen Einlaßstutzen 21 mit dem Auspuffschlitz 13 und durch ein Auspuffrohr 23 mit der Atmosphäre in Verbindung steht ο , " ,

Im Betrieb des Motors 11 öffnet sich der Auspuffschlitz 13 periodisch und bewirkt eine periodische Strömung positiver Druckimpulse des Abgases oder Druckwellen durch die Kamm-er 19 des Auspufftopfes und durch das Auspuffrohr 23. zur Atmosphäre.

Gemäß der Erfindung ist eine Luftsuführungseinrichtung vorgesehen, die Luft gesteuert durch' die pulsierende Abgasströittung durch den Auspufftopf 17 in die Kammer 19 des Auspufftopfes

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einleitet» um die unverbrannten Abgase zu verbrennen und die Luftverunreinigung zu mindern. Hierau, ist der Auspufftopf mit einem Lufteinlaß 27 versehen, der mit der Kammer 19 des Auspufftopfes und mit der Atmosphäre in Verbindung steht. Auss er dem sind Mittel vorgesehen., um. Luft durch den-'Lufteinlaß in die Kammer 19 unter der Steuerung'durch den pulsierenden Druck einzubringen, der als Folge -der Abgasströmung. von dein Auspuffschlitz 13 durch die Kammer 19 zustand©kommt.

Im einzelnen weist die Luftzuführungseinrichtung ein Steuerorgan für die Strömung auf, das eine Einströmung von Luft durch den Lufteinlaß 27 in. die Kammer 19 während der Unterdruckperioden in der Kammer 19» d.i. wenn der Druck in der Kammer 19 unter dem Atmosphärendruck liegt, zuläßt und eine Ausströmung von Luft durch den Lufteinlaß 27 während der Überdruckperioden in der Kammer 19, d.i. wenn der Druck in der Kammer 19 über Atmosphärendruek liegt, verhindert.

Zu diesem'Zweck sind verschiedene Anordnungen möglich. In der veranschaulichten Konstruktion besteht das Steuerorgan für die Strömung aus einem üblichen Zungenventil 31» das im Inneren des Auspufftopfes 17 an einer solchen Stelle angebracht ist, daß es den Lufteinlaß 27 bei Überdruck in der Kammer 19 schließt.

Weiter umfaßt die Luftzuführungseinrichtung zur Kammer 19 auch noch Mittel, um in der Kammer 19 des Auspufftopfes periodisch Unterdruck zu erzeugen. Bei der dargestellten Konstruktion bestehen diese Mittel aus einer Anordnung, durch die der Kolben 15 den Auspuffschlitz 13 periodisch öffnet und schließt, sowie aus dem Auspuffrohr 23» das auf .den Druckgang eines positiven Druckimpulses, der als Folge des Öffnens des Auspuffschlitzes 13 auftritt, hin einen negativen Druckimpuls oder eine Verdünnungswelle erzeugt, die durch die Kammer 19 des Auspufftopfes zurückwandert und das Zungenventil 31 von dem Lufteinlaß 27 v/egschwenken läßt, so daß Luft in die Kammer

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eintritt.

Wenn in dem Auspuff topf 17 genügend Wärme verfügbar ist, kann die Nachverbrennung der unverbrannten Abgase allein durch die Einleitung von Verbrennungsluft durch den Lufteinlaß 27 in den Auspufftopf 17.bewirkt werden.

In einer Ausführungsform der Erfindung iot der Auspufftopf 17 mit einer. Zone hoher Temperatur, einer Wärmespeicherungszone oder Wärmekonzentrationszone 51 versehen, indem eine Auskleidung 53 aus einen Isolationsmaterial, etwa Keramik ο .dgl.,, wenigstens auf einem. Teil der Wand- des Auspuff topf es, vorzugsweise in der Nähe des Einlasses 21, angebracht ist. Zusätzlich zu dieser Wärmespeicherungszone 51 ist der Auspufftopf zweckmäßigerweise noch mit einer Wärmesenke 55 ausgestattet, die vorzugsweise in der Auskleidung 53 angeordnet ist und aus einem Met3,llgeflecht oder einem anderen geeigneten Material· bestehen kann. In dem Beispiel besteht das Metallgeflecht aus rostfreiem Stahl. .

In der Konstruktion der Fig.2 und 3 ist der Auspufftopf 17 derart angeordnet, daß die durch den lufteinlaß 27 hereinkommende Luft in die Wärmespeicherungszone eingeführt wird. Es können auch Mittel vorgesehen sein, um die.ankommende Luft in die Nähe der Wärmespeicherungszone zu leiten. Hierzu kann ein Kanal 61 in dem Auspufftopf angebracht sein, der den Lufteinlaß 2.7 mit der Wärmespeicherungszone 5.1 verbindet und in dem das Zungenventil 31 untergebracht ist.

Alternativ kann der Auspufftopf 17, wie in Fig.4 gezeigt, vorzugsweise in der Nähe des"Einlaßstutzens 21 zum Auspufftopf, mit einem Katalysator 71 versehen sein, der die Verbrennung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids in den Abgasen unterstützt. Nach Wunsch kann die Wand des Auspuff topf es 17 in der Nachbarschaft des Einlaßstutzens 21 und rund um den Katalysator 71 mit einer isolierenden Auskleidung

73 versahen sein. Yfeiter ist es zweckmäßig, den JUift-einlaß 27 ' an einer solchen Stelle anzuordnen, daß die einströmende Luft zum Bereich des Katalysators 71 fließt, oder Mittel vorzusehen, um die einströmende Luft in die ITähe des Katalysators 71 zu leiten, wie beispielsweise der oben beschriebene Kanal 61 (siehe Fig.2), der vom Lufteinlaß 27 zur V/ärmespeicherungszone 51 führt.

Wenn außerhalb des Auspufftopfes 17 eine Zone positiven Luftdruckes vorhanden ist, so wenn beispielsweise der Motor 11 luftgekühlt ist und ein Mantel dazu dient, die Luftströmung über den Motor zu leiten, kann der Lufteinlaß 27 mit einer Einlaßleitung (nicht gezeigt) versehen sein, die ein offenes Ende hat, das dem Druck in der äußeren Überdruckzone ausgesetzt ist; auf diese Weise wird die Lufteinleitung in den Auspufftopf 17 infolge der pulsierenden Abgasströmung durch den Auspufftopf 17 unterstützt.

Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch Verdünnungswellen erzeugt werden mit Hilfe einer passenden Anordnung oder Rohrleitung oder Auspuffkonstruktion, die eine Expansion der Abgase ermöglicht. So kann z.B. zum Erzeugen eines pulsierenden Unterdruckes in dem Auspuffsystem ein Trichter oder ein gegenüber dem Einlaß erweiterter Einlaß zu einer Kammer verwendet werden.

Die beschriebenen Beispiele haben einen Auspufftopf mit einer einzigen Kammer} die Erfindung ist jedoch nicht auf eine spezielle Auspufftopfkonstruktion oder ein bestimmtes Auspuffsystem beschränkt.

Im Betrieb der Ausführungen gemäß Fig.2 bis 4 werden die durch die pulsierende Abgasströmung hervorgerufenen abwechselnden Überdruck- und Unterdruckzustände in der Kammer 19 des Auspufftopfes dazu ausgenützt, Luft durch den Lufteinlaß 27 in die Kammer 19 einzuführen, und zwar vorzugsweise in die Nahe einer

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Y/ärEiespeicherungszone 51 oder in die Hähe eines Katalysators, um die Verbrennung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in den Abgasen zu unterstützen und dadurch die unerwünschte Luftverunreinigung durch Abgase zu vermindern«,

Gegenüber den beschriebenen Beispielen sind im Rahmen der Erfindung Abänderungen möglich»

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Claims

Anspruch e

Luftzuführungseinrichtung zum Einspeisen von Luft in da.s Auspuffsystem eines Verbrennungsmotors, der einen Auspuffschlitz, durch den aufeinanderfolgende Abgaspulse infolge des periodischen Öffnens des AuspuffSchlitzes strömen, sowie ein von einer Wand umschlossenes Auspuffrohr hat, das mit dem Auspuffschlitz und mit der Atmosphäre in Verbindung steht und durch das die Abgase in die Atmosphäre entlassen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wand des Auspuffrohres (119, 17) ein Lufteinlaß (127, 27) angebracht ist, der mit der Atmosphäre «in Verbindung steht und an. dem die Abgase vorbeiströmen, daß stromabwärts von dem Lufteinlaß eine Anordnung (123, 23) vorgesehen ist, um in dem Auspuffrohr eine rücklaufende Unterdruekwelle zu erzeugen, und d.aß in dem Lufteinlaß ein-Einrichtungsteil (131, 31) angebracht ist, der von der rücklauf end en Unterdruckwelle relativ zum Lufteinlaß derart beweglich ist, daß er die Einströmung von Luft durch den Lufteinlaß in das Auspuffrohr gestattet.
2. Luftzufülirungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtungsteil ein Zungenventil (131, 31) ist, das an einer solchen Stelle angeordnet ist, daß es den Lufteinlaß schließt, und das, wenn der Druck in dem Atmosphärendruck liegt, das Einströmen von Luft durch den Lufteinlaß verhindert, und unter der Steuerung eines Unterdruckes in dem Auspuffrohr Luft in das Auspuffrohr einströmen läßt.
3. Luftzufuhrungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Erzeugen einer rücklaufenden Unterdruckwelle im Auspuffrohr einen mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden Auslaß (123, 23) aufweist.

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4. Anordnung zur Minderung der, Luftverschmutzung für einen Verbrennungsmotor,'der oinen· Auspuffschlitz hat, durch den infolge des periodischen Öffnens des AuspuffSchlitzes aufeinanderfolgende Abgaspulse -strömen, gekennzeichnet durch einen Auspufftopf (17), der eine Kammer (19) enthält, deren Einlaß. (21) mit dem Auspuffschlitz (13) des Motors in Verbindung steht, durch einen mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden Auslaß (23), durch stromabwärts von dem Einlaß des Auspufftopfes angeordnete Mittel sum Erzeugen einer rücklaufenden Unterdruckwelle in dem Auspufftopf unter der Steuerung durch die pulsierende Abgasströmung in dem Auspufftopf, und durch eine zwischen dem Einlaß des Auspufftopfes und dem Auslaß angeordnete Einrichtung (27, 31), die unter der Steuerung durch die Unterdruckwelle Luft in die Kammer (19) einleitet. '
5. Anordnung nach Anspruch 4₉ dadurch gekennzeichnet* daß die Kammer (19) Wärmespeicherungsmittel (51) enthält. .
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmespeieherungsmittel eine Auskleidung (53) aus einem Isolationsmaterial entlang wenigstens einem Teil der Wand des Auspufftopfes in der Nähe des Einlasses aufweisen.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Wärmespeicherungsmittein ein Metallgeflecht (55) gehört, das nahe dem Einlaß (21) des Auspufftopfes

. angeordnet ist.
8«, Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch eine Luftführung (61), die die durch den Lufteinlaß (27) eintretende Luft in die Nähe der Wärmespeicherungsmittel leitet.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß in der Kammer (19) ein Katalysator (71)' angeordnet ist, der die Verbrennung unverbrannter Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxid s unter st Utizt.
10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Luftführung (61), die die durch den lufteinlaß (27) einströmende Luft in die Nähe de3 Katalysators leitet.

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