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Die
vorliegende Erfindung betrifft Viertakt-Kolbenmotoren und insbesondere
Zweitakt-Kolbenmotoren. Sie befaßt sich mit solchen Motoren,
die ein Auspuffsystem aufweisen. Das Auspuffsystem umfaßt eine
Auspuffleitung, die mit einem Schalldämpfer verbunden ist, dessen
stromauf gelegener Abschnitt in Richtung der durch ihn hindurchgehenden
Gasströmung
divergiert, ferner einen oder mehrere Oxidationskatalysatoren sowie
eine Luftzuführleitung,
welche mit der Auspuffleitung an einer Stelle stromauf des Katalysators
und des Schalldämpfers verbunden
ist.
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Die
Abgase von Zweitaktmotoren sind üblicherweise
reich an unverbrannten Kohlenwasserstoffen, nämlich Öl und Benzin, sowie an Kohlenmonoxid,
und zwar als Ergebnis unvollständiger
Verbrennung und aufgrund der Tatsache, daß das Spülen des Brennraums gemeinhin
mit einer Luft-/Benzinmischung durchgeführt wird. Um exzessive Emissionen
solcher unverbrannten Kohlenwasserstoffe die Atmosphäre zu verhindern,
ist es üblich,
einen Oxidationskatalysator im Auspuffsystem anzuordnen, dessen
Aufgabe darin besteht, die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid
zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren.
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Jedoch
ist im Abgasstrom in der Regel zu wenig Sauerstoff enthalten, um
die Kohlenwasserstoffe und das Kohlenmonoxid vollständig zu
oxidieren. Außerdem
führt die
beträchtliche
Menge an solchen Substanzen, die oxidiert werden, dazu, daß der Katalysator
eine sehr hohe Temperatur erreicht und folglich fortschreitend in
seiner Wirksamkeit vermindert und in seiner Lebensdauer verkürzt wird.
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Es
ist daher bekannt, eine Luftzuführleitung vorzusehen,
die mit der Auspuffleitung an einer Stelle oberhalb des Katalysators
verbunden ist, um sowohl zusätzlichen
Sauerstoff für
die Oxidation zu liefern als auch den Katalysator zu kühlen. Die US-A-5902971
beschreibt einen solchen Motor, bei dem die Luftzuführleitung
an eine Membranpumpe angeschlossen ist, die von den Druckpulsen
im Kurbelgehäuse
betätigt
wird und die be nötigte
Luft an das Auspuffsystem liefert. Die Membranpumpe erhöht jedoch
nicht unbeträchtlich
das Gewicht, die Kosten und die Komplexität des Motors. Die US-A-5887424
offenbart einen Motor, bei dem Luft durch Saugstrahl- oder Mitführeffekt
in den Schalldämpfer
induziert wird. Dies erhöht
die Komplexität des
Schalldämpfers
erheblich und bedeutet, daß das Auspuffsystem
danach ausgelegt werden muß,
die Luftmitführung
und nicht den Maschinenwirkungsgrad zu maximieren.
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Der
Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Zweitaktmotor
zu schaffen, der Mittel zum Zuführen
von Luft in das Auspuffsystem aufweist, die billig, leicht und wirksam
sind und insbesondere nicht den Einsatz einer Pumpe oder eines Ejektors
bedürfen
und die Möglichkeit
bieten, das Auspuffsystem im Hinblick auf eine Maximierung des Maschinenwirkungsgrades
auszulegen.
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Erfindungsgemäß enthält bei einem
Motor der oben genannten Art die Luftzuführleitung ein Reed-Ventil,
das unter der Wirkung einer Druckdifferenz öffnen kann, um Luft in die
Auspuffleitung einströmen
zu lassen. Dabei beträgt
die Differenz zwischen L2 und (2L1 + L2) zwischen
0,25 und 0,5 m, vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,4 m und insbesondere vorzugsweise
zwischen 0,35 und 0,4 m, wobei L1 der Abstand
von der Verbindung der Auspuffleitung, gemessen von einem ersten
Schnittpunkt, an dem sich die Achsen der Auspuffleitung und der
Luftzuführleitung
schneiden, zu einem Punkt auf der Mitte der in Strömungsrichtung
gesehenen Länge
des stromaufgelegenen, divergierenden Abschnitts des Schalldämpfers ist
und L2 die Länge der Luftzuführleitung von
dem Reed-Ventil zu dem ersten Schnittpunkt ist.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß im Abgassystem stark variierende
Drücke
herrschen und daß die
Druckwelle, die erzeugt wird, wenn der Innenraum des oder jedes
Zylinders der Maschine bei Beginn des Ausstoßens der Abgase anfänglich mit
dem Auspuffsystem in Verbindung tritt, reflektiert werden kann und
den Druck im Auspuffsystem örtlich kurzzeitig
auf Werte unterhalb des Atmosphärendrucks
absinken lassen kann, beispielsweise auf ein Minimum von –1000 mbar
gegen Atmosphäre
oder eher herab auf –400
mbar gegen Atmosphäre,
beispielsweise auf –100
bis –300
mbar gegen Atmosphäre.
Derartige Unterdrücke
gegen Atmosphäre können ausreichen,
ein Reed-Ventil
zu öffnen
und einer kleinen Luftmenge den Durchstrom durch das Ventil zu ermöglichen.
Folglich ist die Luftzuführleitung
mit einem Reed-Ventil versehen, das periodisch geöffnet wird,
und zwar durch Unterdruck-Pulse, die auf das Ventil einwirken.
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Es
wurde jedoch gefunden, daß der
Einbau eines Reed-Ventils alleine nicht notwendigerweise zur Einbringung
ausreichender Luft in das Abgassystem führt und daß die eingebrachte Luftmenge
von dem Verhältnis
zwischen bestimmten Dimensionen des Auspuffsystems abhängt. Dies
wird im folgenden detaillierter erläutert.
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Wenn
im Betrieb das Abgas anfängt,
bei jedem Zyklus des oder jedes Zylinders des Motors in die Auspuffleitung
einzuströmen,
wandert eine positive Druckwelle im wesentlichen mit Schallgeschwindigkeit
durch die Auspuffleitung. Wenn diese Druckwelle die Verbindungsstelle
mit der Luftzuführleitung erreicht,
pflanzt sie sich als Wellen sowohl entlang der Auspuffleitung als
auch entlang der Luftzuführleitung
fort.
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Die
erste positive Welle, die sich in Richtung auf den Schalldämpfer fortsetzt,
wird fortschreitend nach hinten reflektiert, wenn sie den konisch
divergierenden Abschnitt am stromauf gelegenen Ende des Schalldämpfers erreicht,
allerdings in Form einer negativen Druckwelle, und zwar aufgrund
der Tatsache, daß die
Querschnittsfläche
des Schalldämpfers naturgemäß größer als
die der Auspuffleitung ist. Die Ebene, von der aus die positive
Welle reflektiert wird, liegt daher effektiv auf halbem Wege entlang
des konisch divergierenden Abschnitts, gesehen in Strömungsrichtung.
Wenn diese negative Druckwelle auf die Verbindung mit der Luftzuführleitung
trifft, wandert sie die Luftzuführleitung
hinauf. Wenn diese negative Druckwelle, die im folgenden als erste
negative Druckwelle bezeichnet wird, das Reed-Ventil erreicht, öffnet sie
es für
eine kurze Zeitspanne, wodurch Luft in die Auspuffleitung eingelassen
wird.
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Die
zweite positive Druckwelle, die sich in Richtung auf das Reed-Ventil
fortsetzt, wird am Reed-Ventil in Form einer positiven Welle gegen
die Auspuffleitung reflektiert. Wenn sie die Auspuffleitung erreicht,
expandiert sie und wird gegen das Reed-Ventil reflektiert, jedoch
in Form einer negativen Welle. Wenn diese weitere negative Welle,
die im folgenden als zweite negative Druckwelle bezeichnet wird,
das Reed-Ventil erreicht, läßt sie das
Ventil öffnen
und Luft einlassen. Wenn die Phasensteuerung der beiden negativen
Druckwellen so gewählt
ist, daß die
beiden Wellen das Reed-Ventil im wesentlichen gleichzeitig oder
im wesentlichen einander am Reed-Ventil überlappend erreichen, ergibt
sich, daß nicht
nur ein relativ kleines Luftvolumen induziert wird, sondern daß auch die
auf das Reed-Ventil
ausgeübte
Kraft ausreichen kann, das Ventil zu zerbrechen. Wenn sich die beiden
Wellen am Reed-Ventil überhaupt
nicht überlappen, öffnet das
Ventil zweimal für
zwei sehr kurze Zeitspannen, wobei allerdings viel Energie der Wellen
beim Öffnen
des Ventils verbraucht wird und nur relativ wenig Luft in die Luftzuführleitung
eingelassen wird. Wird jedoch die Phasensteuerung der beiden Wellen
so gewählt,
daß sie sich
am Reed-Ventil sehr geringfügig überlappen, wird
das Ventil für
eine längere
Zeitspanne offengehalten, nämlich
für die
Summe der Dauer der beiden negativen Wellen, und ein ausreichendes
Luftvolumen wird induziert, um den gewünschten vorteilhaften Effekt
zu erzielen. Die relative Phasensteuerung der beiden negativen Druckwellen
wird bestimmt durch die Strecke, die sie durchlaufen haben, nämlich 3L2 bzw. 2L1 + L2. Wenn die Zeit für das Durchlaufen der Differenz
zwischen diesen beiden Strecken bei Schallgeschwindigkeit geringfügig kleiner
als die Dauer einer der Wellen ist, werden sich die Wellen am Reed-Ventil
geringfügig überlappen.
Da die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur variiert und die
verschiedenen Leitungen auf unterschiedlichen Temperaturen liegen,
sollten die obigen Strecken temperaturabhängig korrigiert werden, nämlich typischerweise
für 30°C in der
Luftzuführleitung
und 500°C
in der Auspuffleitung. Es spielt keine Rolle, ob die erste negative
Druckwelle das Reed-Ventil vor oder nach der zweiten ne gativen Druckwelle
erreicht, und dies ist der Grund dafür, daß eine Länge, subtrahiert von der anderen,
einen positiven oder negativen Wert ergeben kann.
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Wenn
die negative Druckwelle, die vom divergierenden Abschnitt des Schalldämpfers reflektiert
wird, das Auslaßventil
oder die Auslaßöffnung erreicht,
wenn diese öffnen,
fördert
dies die Wirksamkeit des Auftrags der Abgase aus dem Zylinder, wodurch
der Auslaßdurchsatz
erhöht
wird, was somit die Leistungsabgabe des Motors steigert. Zwar ist dies
für etliche
Anwendungsfälle
wünschenswert,
jedoch ist die Erfindung insbesondere anwendbar auf kleine Zweitaktmotoren,
wie sie in kleine Motor-Scooter oder Mopeds eingebaut werden. In
manchen Ländern
verbietet die Gesetzgebung solche Motoren, sofern sie mehr als eine
vorgeschriebene Leistung abgeben. Diese Motoren werden daher gemeinhin
mit einer blinden Resonatorleitung ausgerüstet, deren Durchmesser kleiner
als der der Auspuffleitung ist und die mit der Auspuffleitung in
Verbindung steht. Diese Resonatorleitung ist mit der Auspuffleitung
an einer Stelle verbunden, deren Abstand zum Mittelpunkt des divergierenden
Abschnitts des Schalldämpfers
im wesentlichen gleich ihrer Länge
ist. Im Betrieb wird die positive Druckwelle, die durch das Öffnen des
Auslaßventils
erzeugt wird, wiederum vom Schalldämpfer in Form einer negativen
Welle reflektiert, die zurück
zum Auslaßventil
wandert. Die positive Welle wandert jedoch auch in der Resonatorleitung
nach oben und wird von deren geschlossenem Ende reflektiert, und
zwar immer noch in Form einer positiven Druckwelle. Diese Welle
tritt erneut in die Auspuffleitung ein und wandert ebenfalls in
Richtung auf die Auslaßöffnung.
Die Resonatorleitung ist so positioniert und dimensioniert, daß die oben
erwähnten
positiven und negativen Druckwellen gleichzeitig an der Auslaßöffnung ankommen,
wodurch die positive Druckwelle dem Effekt der negativen Druckwelle
entgegenwirkt und es nicht zu einer Steigerung der Leistungsabgabe
des Motors kommt.
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Es
sei jedoch angemerkt, daß die
positive Druckwelle, die die Resonatorleitung abwärts reflektiert
wird und entlang der Auspuffleitung gegen das Auslaßventil
wandert, außerdem
ein zweites Mal zurück
in die Resonatorleitung reflektiert wird, allerdings jetzt in Form
einer negativen Druckwelle aufgrund der Tatsache, daß die Resonatorleitung
enger als die Auspuffleitung ist. Diese negative Druckwelle wird
vom geschlossenen Ende der Resonatorleitung reflektiert und wandert
sodann in die Auspuffleitung. Sie wandert sodann in Richtung auf
die Auslaßöffnung und
auch in Richtung auf das Reed-Ventil. Die negative Druckwelle, die
vom Schalldämpfer
reflektiert wird, erreicht das Reed-Ventil, hat jedoch nicht den
vorteilhaften Effekt, daß Reed-Ventil
zu öffnen, weil
ihre Wirkung durch die oben diskutierte positive Druckwelle aus
der Resonatorleitung neutralisiert wird, die das Reed-Ventil im
wesentlichen zur gleichen Zeit erreicht. Wenn jedoch die oben diskutierte, negative
Druckwelle aus der Resonatorleitung das Reed-Ventil zu einem Zeitpunkt
erreicht, an dem sie sich geringfügig mit der zweiten negativen
Druckwelle, die oben in Verbindung mit der ersten Ausführungsform
ohne Resonatorleitung beschrieben wurde, überlappt, kann derselbe vorteilhafte
Effekt wie bei der vorherigen Ausführungsform erzielt werden. Um
diesen Effekt zu erhalten, sollte der Wert 3L2 – (L2 + 2L3 + 4L4) gleich +0,25 m bis +0,45 m oder –0,45 m bis –0,6 m oder
bevorzugt +0,15 m bis +0,35 m oder –0,35 m bis –0,5 m sein,
wobei L2 die Länge der Luftzuführleitung
vom Reed-Ventil zu einem ersten Schnittpunkt ist, an dem sich die
Achsen der Auspuffleitung und der Luftzuführleitung schneiden, L3 der Abstand zwischen dem ersten Schnittpunkt
und einem zweiten Schnittpunkt ist, an dem sich die Achsen der Resonatorleitung
und der Auspuffleitung schneiden, und L4 die
Länge der
Resonatorleitung von ihrem geschlossenen Ende zum zweiten Schnittpunkt
ist. Die Abstände
müssen
natürlich
für diejenige
Temperatur korrigiert werden, bei der sie tatsächlich arbeiten. Wiederum gibt
es zwei mögliche
Bereiche, in die der Abstand für
die eine Druckwelle, subtrahiert vom Abstand für die andere Druckwelle fallen kann,
da es erneut keine Rolle spielt, in welcher Reihenfolge die beiden
Druckwellen das Reed-Ventil erreichen.
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Weitere
Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von zwei speziellen Aus führungsformen, die lediglich
als Beispiel dient, und zwar unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen, in denen:
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1 eine
höchst
schematische Ansicht des relevanten Abschnitts eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors
ist; und
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2 eine ähnliche
Ansicht einer alternativen Konstruktion eines erfindungsgemäßen Zweitaktmotors
ist.
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Der
Motor umfaßt
ein Kurvengehäuse,
einen Zylindermantel oder -block und einen Zylinderkopf, die nicht
Teil der vorliegenden Erfindung sind und in 1 generell
das Bezugszeichen 2 tragen. Der Zylinderblock definiert
einen oder mehrere Zylinder, in denen zugehörige Kolben hin und her gehen.
Die Kolben sind über
zugehörige
Pleuelstangen mit einer Kurbelwelle verbunden.
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Angeschlossen
an die oder jede Auslaßöffnung des
Motors ist ein Abgassystem mit einer Auspuffleitung 8,
deren stromabgelegenes Ende an einen Schalldämpfer 10 angeschlossen
ist. Der Schalldämpfer 10 weist
einen stromauf gelegenen, konisch divergierenden Abschnitt 11 auf,
an den sich im vorliegenden Fall ein zylindrischer Abschnitt und
sodann ein konisch konvergierender Abschnitt anschließen. Der
Schalldämpfer
steht mit der Atmosphäre
in Verbindung, in die hinein die Abgase des Motors abgegeben werden.
Das Abgassystem umfaßt
ferner einen Oxidationskatalysator 12, der im vorliegenden Fall
innerhalb des Schalldämpfers 10 angeordnet
ist. Der Zweck des Oxidationskatalysators besteht darin, die Umwandlung
unverbrannter Kohlenwasserstoffe und von CO in Wasser und CO2 zu katalysieren. Verbunden mit der Auspuffleitung 8 an
einem Punkt zwischen dem Zylinderblock/Zylinderkopf und dem Schalldämpfer 10 ist
eine Luftzuführleitung 14,
deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Auspuffleitung
ist. Die Luftzuführleitung 14 enthält ein passives
Reed-Ventil 16, das normalerweise geschlossen ist, sich
jedoch öffnet,
wenn der Druck, der auf Seiten der Auspuffleitung auf das Ventil
ausgeübt wird,
kleiner ist als der Druck auf der anderen Seite. Das Reed-Ventil 16 umfaßt einen
Ventilsitz 15 und eine Ventilklappe 17. Das Reed-Ventil
steht mit der Atmosphäre über eine
Luftzuführleitung 14 in
Verbindung, die ein Luftfilter 4 enthält.
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Die
Erzeugung, Reflektion und Zeitsteuerung der Druckwellen innerhalb
des Abgassystems wurden bereits oben erläutert. Jedoch ist, kurz gesagt,
der Abstand L1 der Abstand zwischen einem Punkt
mitten auf der in Strömungsrichtung
gesehenen Länge
des divergierenden Abschnitts 11 des Schalldämpfers 10 und
der Verbindung der Auspuffleitung 8 mit der Luftzuführleitung 14,
gemessen von denjenigen Punkt aus, an dem ihre Achsen sich schneiden.
Wenn die Auslaßöffnung öffnet, bewegt sich
eine positive Druckwelle die Auspuffleitung 8 hinab. Erreicht
sie die Luftzuführleitung 14,
wandert sie entlang der Luftzuführleitung
wie auch weiterhin entlang der Auspuffleitung. Die erste positive
Druckwelle wandert die Luftzuführleitung
hinauf, wird am Reed-Ventil reflektiert, wandert zurück zur Auspuffleitung
und wird sodann zurück
in die Luftzuführleitung reflektiert,
allerdings in Form einer negativen welle, die letztlich am Reed-Ventil
ankommt. Die zweite positive Welle wandert entlang der Auspuffleitung
und wird am Schalldämpfer,
effektiv an einer Ebene, die auf der Hälfte der Länge des divergierenden Abschnitts 11 liegt,
in Form einer negativen welle reflektiert. Die negative Welle wandert
zurück
entlang der Auspuffleitung und teilt sich an der Luftzuführleitung. Eine
dieser negativen Wellen erreicht sodann das Reed-Ventil. Die Abstände, die
von den beiden negativen Wellen, die am Reed-Ventil ankommen, durchlaufen
werden, sind durch die oben angegebene Formel derart miteinander
verknüpft,
daß die
Wellen das Reed-Ventil so zeitgesteuert erreichen, daß sie sich geringfügig überlappen.
Das Reed-Ventil wird also jedes Mal dann, wenn das Auslaßventil öffnet, für eine einzige
und relativ lange Zeitspanne offengehalten, und diese Zeitspanne
ist lang genug, um ein ausreichendes Luftvolumen einzulassen, und
zwar zur adequaten Kühlung
des Katalysators und zur katalytischen Verbrennung im wesentlichen
sämtlicher
unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids im Abgas.
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Bei
der alternativen Konstruktion nach 2 steht
die Auspuffleitung außerdem
mit einer Resonatorleitung 20 in Verbindung, die aus dem
oben erläuterten
Grund vorgesehen ist. Die Länge
der Resonatorleitung ist im wesentlichen gleich de ren Abstand vom
Mittelpunkt des divergierenden Abschnitts des Schalldämpfers,
und ihr Durchmesser ist kleiner als der der Auspuffleitung.
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Wenn
das Auslaßventil öffnet, wandert
eine positive Welle entlang der Auspuffleitung und teilt sich an
der Verbindung mit der Luftzuführleitung.
Die erste positive Welle bewegt sich dreimal entlang der Luftzuführleitung
und kommt letztlich in Form einer negativen Welle am Reed-Ventil
an, genau wie im Fall der ersten Ausführungsform. Die zweite positive Welle
setzt ihren Weg entlang der Auspuffleitung fort, bis sie die Resonatorleitung
erreicht, und teilt sich dann in zwei positive Wellen, die als erste
und zweite positive Wellen bezeichnet werden sollen. Die erste positive
Welle bewegt sich entlang der Auspuffleitung und wird sodann vom
Schalldämpfer
in Form einer negativen welle reflektiert. Die zweite positive Welle wandert
entlang der Resonatorleitung und wird an deren geschlossenem Ende
reflektiert. Wenn sie die Auspuffleitung wieder erreicht, teilt
sie sich, und ein Teil wandert in Richtung auf das Auslaßventil.
Allerdings wandert es zusammen mit der negativen Welle, die vom
Schalldämpfer
reflektiert wurde, und wirkt sich daher nicht auf den Abgasaustrag
aus dem Zylinder aus. Die zweite positive Welle wird ebenfalls in die
Resonatorleitung reflektiert, jedoch in Form einer negativen Welle.
Diese negative Welle wird vom geschlossen Ende der Resonatorleitung
reflektiert und wandert sodann in die Auspuffleitung und erreicht schließlich das
Reed-Ventil. Die Längen
der verschiedenen Leitungen sind so miteinander verknüpft, das
die Ankunft zweier negativen Wellen am Reed-Ventil wiederum so gesteuert
ist, daß sich
die Wellen geringfügig überlappen,
wodurch das Reed-Ventil jedes Mal dann, wenn das Auslaßventil öffnet, für eine einzige,
relativ lange Zeitspanne geöffnet
ist.