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Verfahren und Vorrichtung zum Betriebe von Brennkraftmaschinen mit Brennstoff- einspritzung.
Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen, die mit Brennstoffeinspritzung arbeiten, wie insbesondere Dieselmaschinen. Die bekannten Brennkraftmaschinen mit Brennstoffeinspritzung arbeiten entweder mit unmittelbarer Brennstoffeinspritzung in den Zylinder oder mit Brennstoffenspritzung in eine dem Arbeitszylinder vorgelagerte Vorkammer. In beiden Fällen gelangt der Brennstoff in zerstäubter, aber in flüssiger Form in den Arbeitszylinder. Diese Art der Brennstoffeinspritzung hat
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hohen Drücken und den grossen Brennstoffeinspritzungsgeschwindigkeiten, die für die Brennstoffzerstäubung erforderlich sind, den Brennstoff durch kleine Öffnungen bzw. Löcher hindurch in den Zylinder einspritzen ; solche kleine Löcher verstopfen sich sehr leicht und nutzen sich auch sehr rasch ab, was zu Betriebsstörungen führt.
Die Zündverzüge haben ihre Ursache darin, dass der Brennstoff, bevor er verbrennt, aus der flüssigen Form in Dampfform übergeführt werden muss, wobei die hiefür erforderliche Wärmemenge der im Zylinder hoch verdichteten Luft entzogen wird.
Es ist nun schon vorgeschlagen worden, den Brennstoff vor seinem Eintritt in den Zylinder unter
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sind jedoch keinerlei Vorkehrungen getroffen worden, um das angestrebte Ziel zu erreichen und um überdies eine Verdampfung des Brennstoffes vor der Einspritzung zu verhüten. Die Verhinderung der Dampfbildung vor der Einspritzung ist aber, abgesehen von andern Missständen, schon aus dem Grunde von allergrösster Wichtigkeit, weil sonst eine genaue Bemessung des Brennstoffes ganz unmöglich ist.
In Anbetracht der verhältnismässig niedrigen Verdampfungstemperaturen, welche der bei solchen Maschinen verwendete Brennstoff auch bei hohen Drücken besitzt, kann ohne eine selbsttätige Regelung der Vorwärmetemperatur kein nennenswerter Vorteil erzielt werden.
Gegenstand der Erfindung ist es nun, diese Übelstände sicher zu vermeiden, und die Erfindung besteht darin, dass die Erwärmung des unter Druck gesetzten flüssigen Brennstoffes auf dem Wege zum Arbeitszylinder unter solchen Umständen bewirkt wird, dass sich die Vorwärmetemperatur der Verdampf- temperatur bei dem betreffenden Druck auf das Möglichste annähert, diese jedoch nicht übersteigen kann, so dass die tunlich höchste Vorwärmung des Brennstoffes ohne Gefahr einer Verdampfung vor der Einspritzung erreicht wird.
Gemäss der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass die Erwärmung des Brennstoffes unter Druck durch eine Heizung mit selbsttätiger Regelung in Abhängigkeit von der diesem Druck entsprechenden
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ohne Gefahr einer Verdampfung vor der Einspritzung erreicht wird.
Durch die Erfindung ist es ermöglicht, den Brennstoff unter höherem Druck und höherer Temperatur in den Zylinder einzuführen, als dem kritischen Drucke und der kritischen Temperatur entspricht, die zumeist schon bei niedrigeren Drücken erreicht wird als dem Einspritzdrueke entspricht, u. zw. gemäss der Erfindung durch die selbsttätige Regelung der Heizwirkung derart, dass Dampfbildung nicht ein-
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treten kann. Dadurch gibt die Erfindung auch ein Mittel, schwer verdampfbare Brennstoffe mit Erfolg zum Betriebe von Brennkrafteinspritzmaschinen zu benutzen, indem die zur Dampfbildung erforderliche
Wärmemenge dem Brennstoff schon vor dem Einspritzen zugeführt wird.
Eine solche Erwärmung hat hauptsächlich folgende Vorteile :
1. Es wird durch die Erwärmung das Flüssigkeitsvolumen vergrössert, wodurch sowohl die Brennstoffpumpen als auch die Löcher der Einspritzdüsen vergrössert werden können und der Betrieb sowohl in bezug auf das genaue Arbeiten der Pumpe als auch in bezug auf die Verstopfung der Düsenlöcher günstiger gestaltet wird ;
2. es wird dadurch, dass beim Einspritzen in den Zylinder ein Teil des Brennstoffes. infolge der bei der Einspritzung entstehenden Druckverminderung verdampft, die Zerstäubung verbessert ;
3. es wird durch die Dampfbildung und auch durch die bessere Zerstäubung die Verbrennung begünstigt und die Verbrennungsdauer verkürzt.
Durch ein solches Verfahren wird auch erreicht, dass die mit Brennstoffeinspritzung arbeitenden Maschinen (Dieselmaschinen) mit einer höheren Drehzahl betrieben werden können als ohne Vorwärmung. Die genannten Vorteile können um so stärker zur Geltung gebracht werden, je höher die einzuspritzende Flüssigkeit unter Druck vorgewärmt wird. Die Grenze der Vorwärmung ist dadurch gegeben. dass die Brennstoffeinspritzpumpe nur Flüssigkeit ansaugen darf, da sonst, wenn auch Brennstoffdampf angesaugt würde, die Dosierung unsicher wird, weil der Dampf ein viel grösseres Volumen als die Flüssigkeit hat.
Die Dampfbildung kann gemäss der Erfindung selbsttätig dadurch sicher vermieden werden, dass die Heizung der Brennstoffflüssigkeit nicht unmittelbar, sondern mit Hilfe einer Heizflüssigkeit erfolgt. Als Heizflüssigkeit können entweder die Brennstoffflüssigkeit oder andere Flüssigkeiten verwendet werden, deren den verschiedenen Drücken entsprechende Verdampfungstemperaturen bekannt sind.
Wenn zur Vermittlung der Heizung die Brennstoffflüssigkeit selbst verwendet wird und dieselbe unter dem gleichen oder unter einem etwas kleineren Drucke steht als der zu erwärmende Brennstoff, kann die Verdampfung des letzteren dadurch sicher vermieden werden, dass die Verdampfung der als Heizflüssigkeit verwendeten Flüssigkeit (also in diesem Falle der dem Brennstoff gleichen Flüssigkeit) zur Regelung der Heizung (elektrische Heizung, Lampenheizung usw.) benutzt wird, wodurch eine weitere Steigerung der Temperatur verhütet bzw. die Verdampfungstemperatur der vermittelnden Heizflüssigkeit und gleichzeitig dadurch die etwas niedrigere Temperatur der Brennstoffflüssigkeit ständig gesichert wird, wenn nur die Heizung genügend Wärme abgibt, also wenn die Heizung für die grösste Belastung bemessen wird.
Die Regelung der Heizung durch die Verdampfung der Heizflüssigkeit kann sowohl durch die Verwendung des Dampfes selbst zur Betätigung einer Regelungsvorrichtung oder auch derart erfolgen, dass der bei der Verdampfung der vermittelnden Heizflüssigkeit entstehende Dampf kondensiert wird.
Durch diese Kompensation der Dampfbildung kann ebenfalls die Steigerung der Temperatur verhindert bzw. die Verdampfungstemperatur ständig eingestellt werden. Da die Dampfbildung infolge des grossen Unterschiedes der Dampf-und Flüssigkeitsvolumen grosse Bewegungsmöglichkeiten gibt, kann diese ut zur Regelung der Heizung ausgenutzt werden. Da die Dampf bildung grosse Wärmemengen beansprucht. können durch die Kondensation des infolge der Überheizung gebildeten Dampfes grosse Wärmemengen gebunden werden, wodurch die Regelung leicht durchführbar wird.
Das Verfahren gemäss der Erfindung kann aber auch so ausgeführt werden, dass der unter Druck erhitzte und durch eine der Einspritzung vorgeschaltete primäre Druckentlastung wenigstens teilweise verdampfte Brennstoff unter Vermittlung einer Pumpe, eines Kompressors od. dgl. nochmals verdichtet md dann in den Zylinder eingeführt wird, wobei die Pumpe od. dgl.
dazu dient, das Flüssigkeitsdampf- , gemisch einer Verdichtung zu unterwerfen und durch diese einerseits eine zur weiteren Verdampfung des noch nicht verdampften Brennstoffes ausreichende Wärmemenge zu erzeugen, so dass der Brennstoff ranz oder zu einem grösseren Teile verdampft in den Zylinder gelangt, anderseits durch die Einspritzung les bereits einmal zerstäubten Dampfflüssigkeitstropfengemisches bei der Druckentlastung (der zweiten Zerstäubung) beim Eintritt in den Zylinder eine bessere Zerstäubung der nach der ersten Zerstäubung noch vorhandenen Flüssigkeitstropfen zu sichern.
Es kann die Verdichtung des einmal bereits : erstäubten Brennstoffes auch nach erfolgter Mischung mit Luft erfolgen, wodurch die Zerstäubung bei der Druckentlastung im Zylinder noch durch die Ausdehnung der mit dem Brennstoff verdichteten
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truck an der Druckseite der Brennstoffpumpe und eine niederere Vorwärmung des flüssigen Brenntoffes sowie auch die Anwendung kleinerer Einspritzgesehwindigkeiten und Drücke für die Einspritzung les Brennstoffes in den Zylinder.
In der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen gemäss der Erfindung veranschaulicht. fig. 1 zeigt die bekannte Brennstoffeinspritzung in den Arbeitszylinder. Die Fig. 2-7 zeigen verschiedene liisführungsbeispiele der Erfindung.
Bei der bekannten Brennstoffeinspritzung nach Fig. 1 wird der flüssige Brennstoff mittels der ! rennstoffpumpe. ! durch das Saugventil 2 hindurch angesaugt und durch das Druckventil. 3 und die eitung über die Zerstäuberöffnung 5 in den Zylinder 6 gespritzt, in welchem sich der Kolben 7'bewegt.
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Die Einspritzöffnung J ist z. B. durch ein Ventil. 9 gesteuert, welches auch als Druckventil der Pumpe ausgebildet sein kann. Das Einspritzventil kann aber auch ungesteuert sein. Im wesentlichen ist dieselbe Anordnung im Falle der Vorkammereinspritzung anwendbar.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 wird das von der Pumpe 1 in den Zylinder führende Rohr 4, in welchem der Brennstoff unter Druck gesetzt ist, mittels einer Heizvorrichtung, z. B. auf elektrischem Wege mittels einer Heizspirale 8, so stark vorgewärmt, dass bei einer durch Öffnen des Einspritzventils 9 eintretenden Druckentlastung eine vom Druckabfall und von der Vorwärmung abhängige Verdampfung des flüssigen Brennstoffes herbeigeführt wird.
Zweckmässig ist die Einrichtung so getroffen, dass das Druekventil 3 der Pumpe die Leitung 4 an der Eintrittsstelle abschliesst und die Einspritzöffnung durch ein besonderes Ventil 9 gesteuert wird.
Dadurch wird vermieden, dass bei einer eventuell zu starken Vorwärmung des flüssigen Brennstoffes in der Brennstoffpumpe Störungen entstehen.
Die Heizvorrichtung 8 ist regelbar eingerichtet, um die Vorwärmungstemperatur den jeweiligen Erfordernissen entsprechend regeln zu können. So z. B. kann (wenn elektrische Heizung angewendet ist) die Intensität der Heizung mit dem Regler der Maschine derart verbunden werden, dass die Heizung bei höheren Reglerstellungen, also bei kleineren Belastungen, weniger wirksam ist als bei niedrigeren Reglerstellungen, also grösserer Belastung, da im ersten Falle weniger Brennstoffflüssigkeit vorgewärmt werden muss als im letzteren Falle. Auch ist die Anwendung einer Pumpe 1 zweckmässig, deren Druck von Hand aus oder selbsttätig regelbar ist.
Zwischen Brennstoffpumpe 1 und Zylinder 6 ist eine Pumpe 12, JJ (Kompressor od. dgl. ) angeordnet, in welcher der in der unter Druck stehenden Leitung 4 vorgewärmte flüssige Brennstoff durch das Ventil 10 als Flüssigkeitsdampfgemiseh eintritt, indem durch die Druckentlastung in der Offenstellung des Ventils 10 ein Teil des Brennstoffes verdampft. Dieses Flüssigkeitsdampfgemisch wird durch den Verdiehterkolben 12 einer Verdichtung unterworfen, durch welche dem Flüssigkeitsdampfgemisch so viel Wärme zugeführt wird, dass die in dem Flüssigkeitsdampfgemisch noch enthaltene Flüssigkeit bei Druckentlastung ganz oder wenigstens zu einem weiteren Teile verdampft wird. Der Verdichter. kolben 12 fördert den Brennstoff über die als Druekentlastungsöffnung wirkende Öffnung des Ventils 5 in den Zylinder 6.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Verdichtung der durch die Flüssigkeitserwärmung und Druckentlastung bereits teilweise verdampften Flüssigkeit, also eines Flüssigkeitsdampfgemisches im Verdichter 1.'3 durch den Kolben 12 nicht allein, sondern mit Luft gemischt erfolgt.
Dabei kann die Luft entweder durch das selbsttätige Saugventil aus der Atmosphäre oder durch das Ventil 15 aus dem Zylinder, im vorverdiehteten Zustand, entnommen werden. Bei dieser Ausführungsform strömt beim Herabgang des Verdichterkolbens 12 zuerst Luft durch das Rohr 16 in den Zylinder und dann, wenn der Kolben den zum Ventil 10 führenden Anschluss freigibt, Brennstoffflüssigkeitsdampfgemisch
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Einspritzöffnung 5 in den Zylinder 6 befördert wird. Ventil 17 kann auch wegbleiben bzw. durch Ventil 5 in seiner Wirkung als Druckventil des Verdichters ersetzt werden.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit mittelbarer Heizung des Brennstoffes durch Vermittlung einer Flüssigkeit als Zwischenheizmittel. Die elektrische Heizung 8 wirkt hier nicht unmittelbar auf die Brennstoffflüssigkeit (welche, wie bei den früher angeführten Beispielen, durch das Rohr 4 zur Ein- spritzöffnung 5 strömend unter hohem Druck vorgewärmt werden soll), sondern unter Vermittlung einerFlüssigkeit, die sich in einem das Rohr 4 umfassenden Raume 17 befindet. Diese Flüssigkeit kann zweckmässig die gleiche Flüssigkeit sein wie der verwendete Brennstoff. Sollte eine andere Flüssigkeit als vermittelnde Heizflüssigkeit verwendet werden, so müssen die den verschiedenen Drücken entsprechenden Siedepunkte dieser Flüssigkeit bekannt sein.
Der Raum 17 ist oben durch einen Kolben 18 oder ein anderes bewegliches Organ abgeschlossen, welches unter Federdruck 18a steht und durch den Hebel 19, welcher sich um den Punkt 20 drehen kann, eine Regelvorrichtung 21 betätigt, mit welcher die Intensität der Heizung 8 beeinflusst wird. Am Raum 17 ist unten ein Absperrorgan 22 angebracht, durch welches die eventuell durch Undichtigkeiten entweichende Heizflüssigkeit ersetzt werden kann. Der Kolben 1 der Brennstoffpumpe ist so ausgeführt, dass er während des Saughubes durch die Nocke ld d der Nockenscheibe 1 c und den Hebel lb bewegt wird, während des Druckhubes jedoch unter dem Einfluss der Feder la steht, der erzeugte Flüssigkeitsdruck also durch diese Feder eindeutig bestimmt wird.
Diese Feder wird mit der Feder 18a des Kolbens 18 so zusammenbestimmt, dass die dem herrschenden Drucke entsprechende Siedetemperatur des Brennstoffes dieselbe oder eine höhere ist als die, dem im Raume 17 herrschenden Drucke entsprechende Siedetemperatur der Heizflüssigkeit.
Wenn die durch die Heizung an die Heizflüssigkeit abgegebene Wärme grösser is (als diejenige, welche von der durch das Rohr 4 zum Zylinder strömenden Brennstoffflüssigkeit bei Erwärmung bis zu einem nahe am Siedepunkt liegenden Temperatur aufgenommen wird, so entsteht in dem Raume 17 bei dem durch den Federdruck 18a bestimmten Flüssigkeitsdruck Dampf, der den Kolben 18 bewegt und die Intensität der Heizung insolange vermindert, bis die Temperatur der vermittelnden Heizflüssigkeit
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im Raume 17 ständig auf der Höhe der Verdampfungstemperatur gehalten wird. nieRe Temperatur wird also im Raume 17 ständig erhalten, unabhängig davon, ob durch das Rohr 4 mehr oder weniger Brennstoff zum Zylinder strömt.
Dieser Brennstoff wird also immer bis auf jene Temperatur erwärmt, welche der Verdampfungstemperatur der Heizflüssigkeit (eventuell des Brennstoffes) bei dem im Räume 17 herrschenden Druck entspricht.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Überhitzung des Brennstoffes bzw. eine Verdampfung desselben dadurch verhindert wird, dass die durch übermässige Heizung an die vermittelnde
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Druck entspricht, wenn nur die Heizung 8 der maximalen Belastung entsprechend bemessen wird. Dementsprechend wird der Brennstoff im Rohr 4 ebenfalls ganz unabhängig von der Belastung immer auf eine und dieselbe Temperatur erwärmt.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei welchem bei Anwendung des Brennstoffes selbst als
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und 23 kondensiert. In diesem Falle kann die Pumpe 1 auch während des Druckhubes zwangläufig statt durch Feder bewegt werden.
PATENT-ANSPRÜCHE :
L Verfahren zum Betriebe von Brennkraftmaschinen mit Bremistoffeinspritzung, insbesondere Dieselmaschinen, bei welchen der flüssige Brennstoff auf dem Wege zum Arbeitszylinder unter Druck einer Erhitzung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Brennstoffe derart unter Druck durch eine Heizung mit selbsttätiger Regelung in Abhängigkeit von der diesem Druck
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