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Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen oder Verdampfen von fliissigen oder durch Wärme- zufuhr verfliissigbaren festen Brennstoffen.
Vorrichtungen zum Erwärmen oder Verdampfen von Brennstoffen werden angewandt, wo zum
Betriebe von Brennkraftmaschinen, Feuerungen u. dgl. nebel-oder dampfförmige Brennstoffe benötigt werden, die mit der Verbrennungsluft gut mischbar sind, und wo gegebenenfalls schwer brennbare oder unverbrennbare Bestandteile vorher abgeschieden werden sollen. Besondere Schwierigkeiten sind bei der Aufbereitung hochsiedender Brennstoffe von der Art der Schweröle, Naphthalin und anderer Kohlenstoffe vorhanden, auch bei Alkoholen, wenn der Bedarf stark schwankt.
Bekannte Vorrichtungen zur Zuführung der erforderlichen Wärmemengen verwenden heisse Gase (z. B. Abgase von Brennkraftmaschinen oder Feuerungen), Heizflammen oder elektrische Heizkörper, die entweder direkt oder durch Heizflächen hindurch wirken. Diese Vorrichtungen leiden erfahrungsgemäss unter dem Nachteil, dass sie sich Änderungen im Brennstoffbedarf nicht schnell genug anpassen können, u. zw. auch dann nicht, wenn sie so eingerichtet sind, dass diese Anpassung automatisch geschieht, wobei sie ausserdem besonderer komplizierter Einrichtungen bedürfen, um die Wärmezufuhr in jedem Augenblick genau entsprechend dem Brennstoffbedarf zu regeln. Starke Beheizung von Ölen durch Heizflächen führt auch zu Verschmutzung und Koksbildung, die einen Dauerbetrieb unmöglich machen.
Es sind auch schon Vorrichtungen zum Verdampfen von flüssigem Brennstoff vorgeschlagen worden, bei welchen die erforderliche Wärmezufuhr dadurch erfolgt, dass ein Teil des aufzubereitenden Brennstoffes im Brennstoffbehälter selbst verbrannt wird, indem beständig Luft in diesen eingesaugt und dadurch eine Flamme oberhalb des Brennstoffspiegels unterhalten wird. Die Regelung ist in diesem Falle automatisch und einfach, weil sich die einströmende Luft der Absaugung des Dampfes, die z. B. durch die Brennkraftmaschine erfolgt, ohne weiteres anpasst. Die Aufbereitung in dieser Weise ist aber für viele Zwecke ungenügend, weil es nicht möglich ist, hohe Temperaturen zu erreichen.
Gegenstand der Erfindung ist ein sowohl zum Verdampfen als auch zum Erwärmen dienendes Verfahren ähnlicher Art, das sich dadurch kennzeichnet, dass im Brennstoffbehälter ein bestimmter, aber beliebig einregelbarer Druck aufrechterhalten und ihm von einer Stelle höheren Druckes Sauerstoff oder Luft in solcher Menge zugeführt wird, dass der Druck oder die Temperatur im Behälter, unabhängig vom Brennstoffverbrauch, im wesentlichen unverändert bleibt. Das Verfahren gemäss der Erfindung hat den Vorzug, dass der Brennstoff bei einer Temperatur aufbereitet wird, die über der Siedetemperatur bei atmosphärischem Druck liegt, wodurch bei schwer verdampfenden Brennstoffen wesentlich günstigere Resultate erzielt werden.
Für den Betrieb von Brennkraftmaschinen, die das Gemisch vor seiner Zündung verdichten, bietet das neue Verfahren, gleichgültig, ob der Brennstoff dampfförmig oder flüssig in den Arbeitszylinder der Maschine eingeführt wird, den weiteren Vorteil, dass die Leistungsregelung der Maschine wesentlich vereinfacht werden kann, indem man den Druck im Innern der Erwärmvorrichtung, aus welcher der Brennstoff der Maschine unmittelbar zuströmt, in Abhängigkeit von der Belastung der Brennkraftmaschine, ihrer Geschwindigkeit oder einer andern geeigneten Grösse regelt. Hiedurch kann der Zeitpunkt, bis zu welchem die Maschine während des Verdichtungshubes Brennstoff aufnimmt, in bequemer Weise entsprechend dem Leistungsbedarf geändert werden.
Auch wenn der Brennstoff in flüssiger Form entnommen wird. ist die durch das neue Verfahren
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wenn der Brennstoff in üblicher Weise mit einer von der Aussenluft wenig verschiedenen Temperatur in den Brennraum gelangt ; dementsprechend erfordert die Brennstoffzufuhr sehr hohe Pumpendrücke.
Beides erhöht die Herstellungskosten und macht die Maschine empfindlich für Störungen und für Schnell- lauf wenig geeignet. Die durch das Verfahren gemäss der Erfindung ermöglichte Einspritzung des Brenn- stoffes unter hoher Temperatur lässt eine Herabsetzung des Verdichtungsdruckes und ausserdem eine
Beschleunigung und Verbesserung der Verbrennung erreichen, letzteres insbesondere dadurch, dass die räumlich und zeitlich von der Gemischbildung und Verbrennung im Verbraucher getrennte Aufbereitung des Brennstoffes gegebenenfalls bis zu dessen chemischer Auflockerung getrieben werden kann.
Zu diesem
Zwecke wird bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen der Druck im Erwärmungsbehälter höher gewählt als der Enddruck der Verdichtungsperiode im Arbeitszylinder, u. zw. so, dass die Temperatur des Brenn- stoffes nahe an oder über derjenigen Temperatur liegt, bei welcher der Brennstoff selbsttätig zünden würde, wenn er sich in Luft befinden würde, deren Zustand den Verhältnissen am Ende des Verdichtungs- hubes entspricht. Die Steuerung der Brennstoffeinspritzung erfolgt dabei, wie üblich, durch ein gesteuertes
Ventil oder durch den Pumpendruck. Dadurch, dass der Brennstoff zur Zündung wenig oder keine Wäim ? von der verdichteten Luft aufzunehmen braucht, ergibt sich ein vergleichsweise niedriger Endverdichtungs- druck.
Der heisse Brennstoffstrahl hat auch bei mässigem Behälterüberdruck eine grosse Durchschlagskraft.
Zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung dient zweckmässig ein Brennstoffbehälter, der mit einer regelbaren Zutrittsleitung für Druckluft oder Drucksauerstoff, einer durch einen Schwimmer geregelten Zufuhrleitung für flüssigen Brennstoff, einer im Dampfraum liegenden Zündvorrichtung und einer regelbaren Entnahmeleitung für den aufbereiteten Brennstoff versehen ist, wobei die Entnahme- leitung, je nachdem der Brennstoff dampfförmig oder flüssig abgeführt wird, ober-oder unterhalb des geregelten Brennstoffspiegels angeordnet ist.
Dient die Vorrichtung gemäss der Erfindung lediglich zur
Entnahme hocherhitzte flüssigen Brennstoffes, so wird zweckmässig in weiterer Ausbildung der Er- findung eine Einrichtung vorgesehen, welche bewirkt, dass das Verbrennungsprodukt der Flamme im richtigen Verhältnis zur Flüssigkeitsentnahme ausströmen kann. Auf diese Weise wird auch in diesem
Falle eine zur Aufrechterhaltung des Druckes oder der Temperatur genügende Zufuhr von Sauerstoff oder Luft gesichert. Diese Regelung kann mittels einer zur Aussenluft führenden Öffnung erfolgen, deren
Grösse in Abhängigkeit von der Brennstoffentnahme veränderlich ist.
Diese Abhängigkeit kann in beliebiger
Weise geschaffen werden ; beispielsweise kann ein Thermostat benutzt werden, der den Durchtrittsquer- schnitt eines Ausströmrohres entsprechend der Behältertemperatur regelt, die ebenso wie der Druck des Behälters mit wachsender Brennstoffentnahme sinkt und umgekehrt.
'Eine praktisch besonders wertvolle Verbesserung erfährt die Vorrichtung, wenn der Inhalt des Brennstoffbehälteis so bemessen wird, dass er zwecks Versorgung von Verbrauchern mit stark schwankenden
Brennstoffbedarf als Heissbrennstoffspeicher wirken kann.
In den Zeichnungen ist der Erfindungsgegenstand schematisch veranschaulicht. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einfachster Bauart, welche-je nach der Länge des Brennstoffaustrittsrohres- zur Entnahme sowohl dampfförmigen als auch flüssigen Brennstoffes geeignet ist. Fig. 2 betrifft eine
Ausführungsform für Entnahme flüssigen Brennstoffes, die mit einer besonderen thermostatischen Rege- lung versehen ist. Als Anwendungsbeispiel ist in dieser Figur veranschaulicht, dass der Brennstoff zum
Betriebe einer Zweitakt-Schwerölmaschine mit Selbstzündung dient. Die Fig. 3 und 4 sind Indikator- diagramme einer Viertaktmaschine, an denen gezeigt wird, wie die Vorrichtung gemäss der Erfindung zur Leistungsregelung benutzbar ist.
In Fig. 1 und 2 ist a der Brennstoffbehälter der Vorrichtung, b die durch ein Schwimmerventil geregelte Brennstoffzuführungsleitung, die an eine kalten Brennstoff liefernde Pumpe angeschlossen sein kann, c die Austrittsöffnung oder Austrittsleitung für die Abgase der Teilverbrennung, d eine off- nung oder ein Rohr zur Einführung niedrigsiedenden Zündbrennstoffes, der zur Einleitung der Erwälmung dient, e eine elektrische Zündvorrichtung für diesen Hilfsbrennstoff, tein Drucksauerstoff- oder Druck- luftbehälter, g der Brenner, an welchem sich die Flamme bildet, h die zum Verbraucher führende B. enn- stoffleitung, die im Falle der Fig.
1, je nachdem sie über oder unter dem Brennstoffspiegel endigt, dampf- förmigen oder flüssigen Brennstoff führt, i ein Absperr-und Regelventil für die Luft- oder Saue1stoff- zufuhr, 7c eine Abblaseöffnung für Rückstände und I ein Druckmesser.
Ferner ist im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 m der Kraftmaschinenzylinder, n dessen Einsplitz- düse mit Brennstoffventil und o eine thermostatisch Regeleinrichtung, welche den Grad der Ausströmung der im Behälter gebildeten Verbrennungsprodukte entsprechend der Brennstofftemperatur beeinflusst.
Das Anlassen und der Betrieb gestalten sich wie folgt :
1. Einleiten von Brennstoff in den Behälter mittels einer Kaltbrennstoffpumpe, bis das Schwimmer- ventil schliesst.
2. Einleiten von Zündbrennstoff, z. B. Benzin, durch die Öffnung oder Leitung d, das sich über dem schwereren Brennstoff lagert und die Luft mit Benzindämpfen sättigt, wobei die Leitung c von Hand oder automatisch teilweise geschlossen ist.
3. Einschalten der Zündvorrichtung e, was die erste Verpuffung im Behälterinnern einleitet.
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4. Allmähliches Öffnen des Ventils i, wodurch die Verpuffungen häufiger werden und der Behälter samt Inhalt sich zu erwärmen beginnt. Sobald der Brennstoff zu sieden beginnt und die Benzindämpfe durch Öldämpfe ersetzt werden, bildet sich an der Mündung des Luft oder Sauerstoff zuführenden Brenners eine gleichmässige Verbrennung aus, die den Charakter einer-gewissermassen invertierten-Flamme erreicht.
5. Die Sauerstoff-oder Luftzufuhr wird durch weiteres Öffnen des Ventils i weiter verstärkt, bis der gewünschte Sättigungsdruck des Brennstoffes bzw. die gewünschte Temperatur erreicht ist. Im
Falle der Fig. 2 übernimmt dann der Thermostat o durch Regeln des Austrittsquerschnittes der Leitung c die selbsttätige Konstanthaltung der Temperatur.
6. Öffnen der Leitung h zum Verbraucher oder zum Brennstoff ventil der Maschine, die jetzt betiiebs- bereit ist.
7. Anweifen der Maschine, wie üblich, von Hand oder mit Hilfskraft.
Die selbsttätige Regelung der Vorrichtung kommt folgendermassen zustande :
Steigt beispielsweise bei der Ausführung nach Fig. l der Verbrauch, so wird sich ein gewisser
Druckabfall im Behälterinnern einstellen, der einen verstärkten Zufluss aus dem Behälter (und damit eine verstärkte Wärmezufuhr verursacht, die so lange anhält, bis der vorgeschriebene Zustand wieder erreicht ist. Mit dem Steigen des Druckes im Behälterinnern verringert sich die Flamme auf den ursprüng- lichen Grad. In ähnlicher Weise spielt sich der Vorgang bei der Ausführung nach Fig. 2 ab.
Bei steigendem
Verbrauch lässt das Schwimmerventil mehr kaltes Öl eintreten, was im Innern des Behälters einen kleinen
Temperaturabfall hervorruft ; hiedurch wird der Thermostat veranlasst, die Leitung c mehr zu öffnen und dadurch einen kleinen Druckabfall herbeizuführen, der nunmehr in gleicher Weise wirkt wie im vorigen Falle.
Auch bei fallendem Verbrauch ist die Regelung der Flamme eine vollkommen selbsttätige. Fällt der Verbrauch auf Null, so steigt der Druck-im Falle der Fig. 2 nach Schliessen der Leitung e durch den Thermostaten-unter gleichzeitiger Verkleinerung der Flamme auf den des Behälters (, d. h. die
Luftzufuhr hört auf und die Flamme erlischt. Es ist also ganz unmöglich, dass sich gefährliche Drücke oder Temperaturen bilden.
Wenn die Brennstoffentnahme aufhört, kann es erwünscht sein, dass die Vorrichtung in einem
Bereitschaftszustand verbleibt, aus welchem sie bei Bedarf sofort in den richtigen Betriebszustand über- geht. Zu diesem Zwecke kann das Erlöschen der Flamme durch Offenhalten einer kleinen Öffnung, die z. B. nach der Aussenluft führt, vermieden werden, wobei diese Öffnung zweckmässig so eingestellt wird, dass die verringerte Teilverbrennung gerade die unvermeidliehen Abkühlungsverluste durch Leitung und Strahlung deckt. Das ist besonders wertvoll für Maschinen, die jederzeit betriebsbereit sein müssen, wie Fahrzeuge, Schiffe usw.
Die Erwärmung schwerer Kohlenwasserstoffe unter Druck bewirkt in an sich bekannter Weise unter Umständen ein chemisches Auflockern oder sogar ein Kracken, wodurch sich die Brenneigen- schaften verbessern. Da jedoch gerade die zuerst aufgelockerten chemischen Bestandteile zum Teil unstabil sind, werden sie bei der Vorrichtung nach der Erfindung im Entstehungszustande heiss unter
Druck verbrannt.
Die Vorzüge der neuen Vorrichtung treten, wie einleitend erwähnt, besonders hervor, wenn sie in Verbindung mit Brennkraftmaschinen benutzt wird, um deren Betriebsmittel zu liefern. Handelt es sich beispielsweise um eine Maschine mit Brennstoffeinspritzung, so ermöglicht die Erhitzung des einzu- führenden Brennstoffes, die im vorliegenden Falle sehr hoch getrieben werden kann, eine wesentliche Herabsetzung des Endverdichtungsdruekes.
Bekanntlich erfordert die Brennstoffeinspritzung in der
Nähe des oberen Kolbentotpunktes teuere Zuteilerpumpen mit hohen Drücken und ergibt besonders bei Schnellauf infolge der ausserordentlich kurzen Zeiten, die für die Einspritzung, Aufbereitung, innere
Gemischbildung und Verbrennung zur Verfügung stehen, schlecht regelbare, schwere Maschinen mit hartem Gang und daher selbst bei ausgesuchten Ölen einen wenig günstigen Brennstoffverbrauch. Durch die Herabsetzung des Verdichtungsdruckes und die Beschleunigung und Verbesserung der Verbrennung bei der Aufbereitung des Brennstoffes gemäss der Erfindung kann eine wesentlich billigere und besser wirkende Schnellaufmasehine geschaffen werden.
Bei Brennkraftmasehinen, die mit Selbstzündung am Ende des Verdichtungshubes arbeiten, empfiehlt es sich, den Druck im Brennstoffbehälter höher zu wählen als den Endverdichtungsdruck und die Temperatur im Brennstoffbehälter selbsttätig auf einen Wert zu regeln, der nahe an oder über derjenigen Temperatur liegt, bei welcher sich der Brennstoff in Luft vom Zustand (Druck, Temperatur) der Endverdichtung entzündet. Ist. die Brennkraftmaschine dagegen mit Fremdzündung versehen, so ist es vorteilhaft, die Brennstofftemperatur nahe unter der
Zündtemperatur des Brennstoffes in Luft vom Endverdichtungszustand zu wählen.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung kann ferner, wenn der Brennstoff nicht am Ende des Ver-
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sowohl dampfförmigen als auch flüssigen Brennstoffes in grundsätzlich übereinstimmender Weise geschehen kann. So kann man durch Einbau eines Druckregelorganes in die Luftleitung zum Brennstoffbehälter
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oder durch Beeinflussung des den Luftbehälter y speisenden Verdichters den Druck im Brennstoffbehälter in Abhängigkeit von beliebigen Bezugsgrössen (wie Belastung, Geschwindigkeit) der gespeisten Brennkraftmaschine so ändern, dass Druckgleichheit zwischen Behälter und Arbeitszylinder in beliebig wähl- baren Punkten während des Verdichtungshubes eintritt.
Fig. 3 veranschaulicht diese Regelung beispielsweise an einem Indikatordiagramm eines Viertaktmotors. Die Brennstoffzufuhr kann gleichzeitig mit oder beliebig nach dem Öffnen des Ansaugeventils z. B. im Punkte s beginnen ; sie dauert während des Verdichtungshubes so lange, bis die erwälmte Druckgleichheit eintritt, im einen Falle bis zum Punkte b, im andern Falle bis zum Punkte b', je nach dem Druck, auf welchen der Brennstoffbehälter eingeregelt ist. Vom Augenblick der Druckgleichheit an überwiegt der Zylinderdruck, d. h. die Brennstoffzufuhr ist abgeschnitten, wobei aber die Verdichtung ungestört ihren Fortgang nimmt. Die Brennstoffleitung kann jetzt in einem beliebigen Zeitpunkt durch ein Ventil, gegebenenfalls auch durch ein Rückschlagventil, gesperrt werden.
Bei einem Arbeitsdruck
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Im Diagramm der Fig. 4, welches sich auf den Fall der Einspritzung flüssigen Brennstoffes bezieht, beginnt diese bei einer bestimmten einregelbaren Kolbenstellung während des Verdichtungshubes durch Öffnen des Brennstoffventils. während das Ende der Einspritzung wiederum nicht von dem Ventil, sondern von dem steigenden Verdichtungsdruck im Zusammenwirken mit dem zu diesem Zwecke regelbar gemachten Behälterdruck bestimmt wird. Punkt a bezeichnet den Beginn der Einspritzung, während der Endpunkt, je nachdem der Behälterdruek gleich p oder Pa ist, verschieden hoch zwischen bund c liegen kann und die Einspritzdauer entsprechend gleich s"s, oder g, wird.
Die Zündung erfolgt in der Nähe des oberen Totpunktes durch eine Zündkerze od. dgl. im Punkt d. Der Beginn der Einspritzung während des Verdichtungshubes kommt insbesondere für Zweitaktmaschinen in Betracht.
Diese Art der Regelung ermöglicht eine ausserordentlich feine Zumessung des Brennstoffes in den weitesten Grenzen ohne teuere Hilfsmittel, wie Zuteilerbrennstoffpumpen oder Zuteilerventile, was besonders bei Mehrzylindermaschinen von grossem wirtschaftlichem Wert ist. Für die Gemischbildung steht auch bei schnellaufenden Maschinen eine verhältnismässig lange Zeit zur Verfügung. Die bei bekannten gemischverdichtenden Sehwerölmaschinen so schädliche Kondensation der Ölnebel in der Saugleitung wird vermieden. Da Spülung und Ladung nur mit reiner Luft erfolgt, ist Wirtschaftlichkeit auch bei grossen Leistungen verbürgt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Erwärmen oder Verdampfen von flüssigen oder durch Wärmezufuhr verflüssigbaren festen Brennstoffen, bei welchem ein Teil des zu erwärmenden oder verdampfenden Brennstoffes im Brennstoffbehälter durch Unterhaltung einer Flamme über dem Brennstoffspiegel verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffbehälter (a) ein bestimmter, aber beliebig einregelbarer Druck aufrechterhalten und ihm von einer Stelle (f) höheren Druckes Sauerstoff oder Luft in solcher Menge zugeführt wird, dass der Druck oder die Temperatur im Behälter unabhängig vom Brennstoffverbrauch im wesentlichen unverändert bleibt.