DE2163938A1

DE2163938A1 - Vorrichtung zum Verdampfen von Kraftstoff

Info

Publication number: DE2163938A1
Application number: DE19712163938
Authority: DE
Inventors: Roger Tattenhall; Thomas Alun Wirral; Cheshire; Finlay lan Chirnside Clarkston Glasgow; Wilson John Linley St. Leonards East Kilbride Schottland; Lindsay (Großbritannien)
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1970-12-23
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1972-07-13
Also published as: GB1338767A; AU457030B2; FR2119553A5; CA950779A; IT943340B; US3763838A; AU3688771A; SE376786B

Description

betreffend Vorrichtung zum Verdampfen von Kraftstoff

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, in denen flüssige Brenn- bzw. Kraftstoffe verdampft werden, bevor sie einer Kraftmaschine, z. B. einem hotor zugeführt werden.

Bei den bekannten, mit funkenzündung arbeitenden Verbrennungsmotoren dient ein Vergaser dazu, einen flüchtigen Kraftstoff im gewünschten Verhältnis mit zugeführter Luft zu mischen. Wenn eine vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erzielt werden soll, muß der Kraftstoff in der Luft gleichmäßig dispergiert werden. In der Praxis läßt sich Jedoch mit Hilfe eines Vergasers bekannter Art ein solches gleichmäßiges Gemisch nur selten oder überhaupt nicht erzielen und auch das Einspritzen des Kraftstoffs in die Ansaugleitung führt nur zu einer geringfügigen Verbesserung.

Auch bei Gasturbinen ist es ebenso schwierig^ ©in gleichmäßiges Gemisch zu erzeugen und so eine gleichmäßige Temperatur am Einlaß der Turbine au erzielen»

Gemäß der Erfindung werden nunmehr Verfahren und Vorrich tungen vorgeschlagen, die es ermöglichen, ein gleichmäßigeres Kraftstoff-Luft-Gemisch zu erzeugen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch erfüllt, daß bei einer im wesentlichen konstanten Semperatur eine Wärmemenge zugeführt wird, die ausreicht, um die gesamte Kraftstoff ladung zu verdampfen, und das ohne Rücksicht auf die Arbeitsweise des Motors; hierbei wird diese Wärme zugeführt, bevor der Kraftstoff dem Hauptluftstrom beigemischt wird, welcher dem Einlaß des Motors zugeführt wird.

Wenn man den Kraftstoffdampf oder das Gemisch aus Kraftstoffdampf und Luft mit dem relativ kühlen Hauptverbrennungsluftstrom mischt, kann der Kraftstoff dampf zu sehr kleinen Tröpfchen kondensieren, so daß ein Aerosol entsteht; hierdurch wird jedoch nicht nur ein gleichmäßiges Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt, sondern es wird jeder Neigung des Kraftstoffs entgegengewirkt, sich in flüssiger Form an Flächen anzusammeln, mit denen der Kraftstoff in Berührung kommt, z. B. an den Wänden der Ansaugleitung.

Während des normalen Betriebs wird die Wärme, die benötigt wird, um die Flüssigkeit zum Sieden zu bringen, zweckmäßig den Abgasen entnommen.

Eine Vorrichtung nach der Erfindung zum Verdampfen von Brennstoff bzw. Kraftstoff umfaßt eine oder mehrere auf eine noch zu erläuternde Weise ausgebildete sogenannte "Wärmeleitungen, von denen jede die Form eines dicht verschlossenen Behälters hat, der ein Wärmeübertragungsflud enthält und so aufgebaut ist, daß sich während des Betriebs die flüssige Phase des Fludes in einer Wärmeaufnahmezone sammelt, während die Dampfphase des Fludes in einer Wärmeabgabezone zur Kondensation gebracht wird, so daß die latente Verdampfungswärme des Wärmeübertragungsflüdes ausgenutzt wird, um flüssigen Kraft-

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stoff an einer Stelle zu verdampfen, die in der Strömungsriehtung vor dem Punkt liegt, an welchem der Kraftstoff mit dem Hauptverbrennungsluftstrom gemischt werden soll.

Der Ausdruck"Wärmeleitung" bezeichnet hier auch Vorrichtungen, die unter der Bezeichnung "Zweiphasen-Thermosiphons" bekannt sind. Dieser Ausdruck geht auf die Tatsache zurück, daß in der Vorrichtung sowohl flüssige als auch dampfförmige Phasen vorhanden sind. Hierbei beschränkt sich die geometrische Gestalt einer solchen Wärmeleitung bzw. eines Wärmerohrs durchaus nicht auf kreisrunde oder rohrförmige Konstruktionen.

Benutzt man eine oder mehrere Wärmeleitungen, ist es möglich, dem Kraftstoff Wärme innerhalb eines begrenzten Temperaturbereichs und praktisch ohne Rücksicht auf die Höhe des Kraftstoffbedarfs zuzuführen. Außerdem erreicht beim Anlassen die bzw. jede Wärmeleitung ihre Betriebstemperatur sehr viel schneller als ein fester Wärmeleiter.

Bei einem mit !fremdzündung arbeitenden Verbrennungsmotor kann die Verdampfungsvorrichtung in Verbindung mit einem entsprechend abgeänderten Vergaser bekannter Art oder, um noch bessere Ergebnisse zu erzielen, in Verbindung mit einer Kraftstoffeinspritzanlage benutzt werden.

Die Wärmeaufnahmezone jeder Wärmeleitung ist zweckmäßig so angeordnet, daß die Wärme aus den Gasen aufgenommen werden kann. Ferner kann eine Hilfewärmequelle zur Benutzung beim Kaltstart vorgesehen sein. Da der durch die Wärmeleitung zu deckende Wärmebedarf in einem erheblichen Ausmaß variieren kann, ist es möglich, überschüssige Wärme entweder mit Hilfe einer zusätzlichen Kühleinrichtung oder durch eine entsprechende Regelung der Wärmezufuhr zu beseitigen. Ein Überhitzen des Wärmeübertragungsfludes isann auf zweckmäßige Weise dadurch verhindert werden, daß man in die Wärmeleitung zusätzlich ein

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nicht kondensierbares Gas einschließt. Beim Betrieb der Wärmeleitung wird das nicht kondensierbare Gas durch die Bewegung des Wärmeübertragungsfludes in Richtung auf einen relativ kühlen 'i'eil des Behälters verdrängt und fortschreitend verdichtet, wenn die Temperatur in der Wärmeleitung über den erforderlichen Wert hinaus ansteigt. Hierbei bestimmen die Eigenschaften des Dampfes, der in der Wärmeleitung über das Niveau der Kühlzone hinaus nach oben steigt, den Verlust an überschüssiger Wärme, so daß eine überhitzung vermieden wird.

Um eine rasche Verdampfung des Kraftstoffs zu erzielen, wird der Kraftstoff normalerweise in Form von Tröpfchen zu-P geführt. Man kann (fen Ablauf der Verdampfung weiter dadurch verbessern, daß man den Kraftstoff auf die eine schnelle Verdanpfung bewirkenden Flächen der bsw. jeder Wärmeleitung sprüht und/oder mechanische Abstreifer oder Verteiler benutzt, die zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung des Kraftstoffs auf diesen Flächen beitragen.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch in einem senkrechten Schnitt eine Wärmeleitung in Form eines Zweiphasen-Thermosiphons;

Fig. la im Längsschnitt eine einen Docht enthaltende Wärmeleitung;

Fig. 2 eine Wärmeleitung ähnlich der in Fig. 1 dargestellten, die jedoch zusätzlich eine gewisse Menge eines nicht kondensierbaren Gases enthält;

Fig. 2a im Vergleich zu Fig. 2 einen anderen Betriebssustand;

Fig. 3 eine Verdampf un gsvorr-ichtung;

Fig. 4 eine Verdampfungsvorrichtung ähnlich derjenigen nach Fig. 3, bei der jedoch die Wärmeleitung zusätzlich eine gewisse Menge einesnicht kondensierbaren Gases enthält;

Fig. 5 im Längsschnitt eine abgeänderte Ausführungsform einer Verdampfungsvorrichtung;

Fig. 6a in einem öchnit1?längs der Linie YIa-VIa in Fig. 6b eine Ausführungsform einer Verdampfungsvorrichtung für Ottomotoren;

Fig. 6b die Verdampfungsvorrichtung nach Fig. 6a in einem waagerechten Schnitt längs der Linie VIb-VIb in Fig. 6a;

Fig. 7 eine Verüampfungsvorrichtung ähnlich derjenigen nach Fig. 6a, bei der jedoch zusätzlich ein Flüssigkeitsrückleitungskanal vorgesehen ist;

Fig. 8 im Längsschnitt eine abgeänderte Ausführungsform einer Verdampfungsvorrichtung mit einem Flüssigkeits-Kückleitungskanal;

Fig. 9a im Längsschnitt eine Verdampfungsvorrichtung mit mehreren Wärmeleitungen; und

Fig. 9b die Verdampfungsvorrichtung nach Fig. 9a in einem waagerechten ochnitt.

Die in Fig. 1 gezeigte Wärmeleitung umfaßt einen dicht verschlossenen Behälter 10, der eine kleine Kenge einer Wärmeübfcrtragunfisflüssigekeit 12 enthält, deren ^Siedepunkt in ein un, fangen Leroich liegb. l<er .^aum ünei· der Oberfläche 14 der !''lussigKoi fc 12 wird von aub der x'Lüsöi^keiL entstandenem Dampf Ib eingenommen.

BAD

Während des Betriebs nimmt die Wärmeleitung Wärme innerhalb der mit A bezeichneten Zone auf, so daß die Flüssigkeit 12 zum Sieden gebracht wird. Der hierbei entstehende Dampf strömt in der Leitung nach oben und kondensiert auf den kühleren Flächen, wodurch diese Flächen praktisch bis auf den Siedepunkt der Flüssigkeit erhitzt werden. Somit steht innerhalb einer Wärmeabgabezone B Wärme zur Verfügung, und zwar im wesentlichen bei der gleichen Temperatur, die an der Wärmeaufnahmezone A herrscht. Wird Wärme abgeführt, bewirkt dies, daß ein Teil des Dampfes 16 kondensiert, und daß sich das Kondensat in der Wärmeaufnahmezone A sammelt.

Bei der Wärmeleitung nach Fig. 1 bewirkt die Schwerkraft, daß das Kondensat zu der Wärmeaufnahmeζone A zurückgeleitet wird; infolgedessen beschränkt sich die Verwendbarkeit der Wärmeleitung auf fälle, in denen die Schwerkraft in dieser Weise zur Wirkung kommt.

Fig. la zeigt eine Ausführungsform einer Wärmeleitung, bei der nicht von der Schwerkraft Gebrauch gemacht wird, um das Kondensat zu der V/ärmeaufnahmezone A zurückzuleiten. Diese Wärmeleitung, die in allen übrigen Punkten den in Fig. 1 und 2 gezeigten Wärmeleitungen ähneln kann, ist an ihrer Innenwand mit einer einem Docht ähnelnden Auskleidung 17 versehen.

Während des Betriebs wird die Flüssigkeit 12 in der Zone A durch die der Wärmeleitung zugeführte Wärme verdampft, und die kapillare Wirkung, die der Docht 17 auf die Flüssigkeit ausübt, führt dazu, daß der Verdampfungszone A ständig frische Flüssigkeit zugeführt wird. Der Dampf 16 wird veranlaßt, in der durch pfeile angedeuteten .Richtung zu strömen, da er in der Zone B abgekühlt wird, so daß sich das Volumen des Dampfes verringert und das Kondensat von dem Docht 17 aufgenommen wird,

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Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer Wärmeleitung, bei der der Baum über dem Flüssigkeitsspiegel 14 eine kleine Menge eines nicht kondensierbaren Gases 18 enthält. Dieses Gas wird dadurch in die kühlere Zone G der Wärmeleitung hineingedrückt, daß Dampf aus dem unteren Teil des Behälters 10 zu dem kühleren oberen Teil strömt, wo der Dampf dazu neigt, zu kondensieren. Der von dem nicht kondensierbaren Gas eingenommene Raum richtet sich nach der in den Behälter eingeschlossenen Gasmenge und dem Dampfdruck der Flüssigkeit» Hierbei bildet sich zwischen dem Dampf 16 und dem Gas 18 eine Trennfläche 20 aus. Wenn die Temperatur der Wärmeleitung zunimmt, da die Menge der zugeführten Wärme den Wärmebedarf der Zone B überschreitet, bewirkt die häa?durch hervorgerufene Steigerung des Drucks, daß sich die Trennfläche 20 nach oben verlagert, und daß daher ein größerer Teil der Kühlzone für den Dampf 16 zugänglich wird, wie es in Fig. 2a gezeigt ist. Auf diese Weise wird die Geschwindigkeit der Abfuhr überschüssiger Wärme aus der Wärmeleitung zweckmäßig geregelt·

Wenn bei den beiden Ausführungsformen eine plötzliche Zunahme des Wärmebedarfs auftritt, führt die schnellere Kondensation des Dampfes 16 zu einer Verringerung des Gesamtdrucks in dem Behälter 10, so daß die Flüssigkeit schneller siedet, um das Gleichgewicht wieder herzustellen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 verlagert sich dann die Trennfläche 20 entsprechend längs der Wärmeleitung nach unten·

Zwar sind die beschriebenen Wärmeleitungen als rohrförmig Leitungen dargestellt, doch richtet sich die genaue geometrische Form der Leitungen in der Praxis nach den gewünschten thermischen Eigenschaften und den Umgebungsverhältnissen.

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Fig. 3 zeigt eine Kraftstoff-Verdampfungsvorrichtung mit einer Wärmeleitung 10, deren Wärmeaufnahmezone A so angeordnet ist, daß sie Wärme aus den Abgasen in einer Abgasleitung 22 aufnehmen kann.

In der Wärmeübertragungszone B der Wärmeleitung ist ein Teil einer Kraftstoffleitung 24· angeordnet, dem bei konstanter Temperatur eine ausreichende Wärmemenge zugeführt werden kann, um zu gewährleisten, daß der gesamte Kraftstoff verdampft wird, bevor er in der Ansaugleitung 26 mit dem Hauptverbrennungsluftstrom gemischt wird. Beim Mischen mit ^ dem relativ kalten Hauptluftstrom kann der verdampfte Kraftstoff kondensieren, so daß er einen Nebel bzw. ein Aerosol aus feinen Tröpfchen bildet, deren Durchmesser bis herab zu 1 Mikron betragen kann.

Die nicht dargestellte Kraftzumeßeinrichtung muß geeignet sein, jeweils die richtige Kraftstoffmenge zuzuführen, und zwar entsprechend der Motordrehzahl, der Last und der Stellung der Drosselklappe 28 in der Ansaugleitung 26.

Die in Fig. 4- gezeigte Vorrichtung ähnelt derjenigen nach Fig. 3» abgesehen davon, daß die Wärmeleitung 10 durch eine an ihrem oberen Ende angeordnete Kühleinrichtung 30 P "temperaturstabilisiert" ist. Der Dampf 16 der Wärmeübertragungsflüssigkeit wird normalerweise außer Berührung mit diesem Teil der Wärmeleitung gehalten, und zwar durch eine kleine Menge eines nicht kondensierbaren Gases 32, das sich in der anhand von Fig. 2 beschriebenen Weise verhält.

Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 4- nur dadurch, daß der Kraftstoff in der Wärmeübertragungszone B in Gegenwart einer kleinen Luftmenge verdampft wird, die aus dem Hauptverbrennungsluftstrom über eine Umgehungsleitung 34· abgezweigt wird. Das Ge-

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misch aus verdampften Kraftstoff und Luft wird dem Hauptverbrennungsluftstrom über eine Mickleitung 26 wieder zugeführt. Diese Konstruktion bietet den Vorteil, daß sich das Gemisch aus verdampften Kraftstoff und Luft schneller mit dem Hauptluftstrom mischen kann. Der Anteil der über die Leitungen 34 und 36 abgezweigten Luftmenge darf nicht so groß sein, daß eine bemerkbare Beeinträchtigung des volumetrischen Wirkungsgrades durch eine Erhöhung der Lufttemperatur in der Ansaugleitung hervorgerufen wird.

3?ig. 6a und 6b zeigen eine zweckmäßige Ausführungsform einer Verdampfungsvorrichtung. Das rechte Ende 40 der Vorrichtung ist dazu bestimmt, an die Ansaugleitung des Motors angeschlossen zu weruen, so daß die Luft von links nach rechts durch aie Vorrichtung strömt. Nach dem Eintreten in das linke Ende 42 der Vorrichtung strömt die Luft durch einen zwar auf bekannte Weise ausgebildeten, jedoch etwas abgeänderten S.JJ.-Vergaser 44. Dann wird der Luftstrom in einen primären und einen sekundären Strom unterteilt; der sekundäre btrom enthält ein überreiches Gemisch aus Kraftstofftröpfchen und Luft, während der primäre btrom nur aus Luft besteht. !Mach dem Verdampfen des in dem sekundären Strom enthaltenen Kraftstoffs werden die beiden Ströme wieder vereinigt,

Um den primären Strom und den sekundären Strom voneinander zu trennen, sind zwei in der Längsrichtung verlaufende l'rennwände 46 vorgesehen, die sich von einer Stelle auf der linken Seite des Punktes, an dem der Kraftstoff über den Vergaser eintritt, zu einem Wiedervereinigungs- oder hischpunkt erstrecken, welcher in der Strömungsrichtung hinter der Wärmeabgabezone 47 der Verdampfungsvorrichtung liegt. Der primäre Strom folgt einem äußeren Kanal 48, der ein Venturirohr umfaßt, längs dessen sich der Durchtrictsquerschnitt verkleinert und dann wieder vergrößert, während der sekundäre Strom einen zentralen Kanal 50 passiert.

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Die Wirkungsweise des S.U.-Vergasers 44 ist bekannt und bildet nicht einen Gegenstand der Erfindung; dieser Vergaser ist lediglich als Beispiel für zahlreiche Einrichtungen dargestellt, die es ermöglichen, der Ansaugluft eines Motors Kraftstoff zuzumessen. Die wichtigste gemäß der Erfindung vorgesehene Abänderung besteht darin, daß die Drosselklappe 52 der Verdampfungsvorrichtung nachgeschaltet ist. Im übrigen arbeitet der Vergaser in der üblichen Weise, d. h. ein Kolben 54 wird durch den in der ötrömungsrichtung hinter dem Vergaser herrschenden Unterdruck angehoben, so daß nicht nur das Drosselventil 56, sondern gleichzeitig die sich nach linien verjüngende Ventilnadel 58 nach oben bewegt wird, welch letztere den Durchtrittsquerschnitt einer Kraftstoffdüse regelt. Der Kraftstoff wird durch den Unterdruck über die Düse 60 angesaugt. Das Ansprechverhalten des Kolbens 54- wird durch einen Dämpfer 62, eine Feder 64 und die Größe der Düse 66 geregelt, welche die Oberseite des Kolbens mit der Austrittsseite des Ventils 56 verbindet. Zum Aufnehmen der Trennwände 46 ist das Drosselventil 56 gemäß Fig. 6b mit eingefrästen Schlitzen 68 versehen.

Die Wärmeübertragungszone 47 der Vorrichtung umfaßt mehrere stehend angeordnete Rohrabschnitte 7°» die sich durch den zentralen Kanal 50 erstrecken. Diese üohrabschnitte 70 entsprechen deir in den schon beschriebenen Figuren mit B bezeichneten Zone. Der Wärmeaufnahmeteil der Wärmeleitung 10 ragt in die Abgasleitung 22 des Motors hinein und ist mit einer Flüssigkeit 12 gefüllt. Am oberen Ende der Wärmeleitung ist eine Kühleinrichtung 30 vorgesehen, durch die Wasser hindurchgeleitet werden kann. Während des normalen Betriebs der Vorrichtung wird das Ausmaß, in dem der Dampf 16 in Berührung mit der Kühleinrichtung $0 kommt, in der schon beschriebenen Weise durch das nicht kondensierbare Gas 32 bestimmt .

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Der beschriebene S.U,-Vergaser kann durch eine Kraftstoffeinspritzanlage ersetzt werden, ohne daß irgendwelche größeren Abänderungen an der Verdampfungsvorrichtung vorgenommen zu werden brauchen.

Um die Kraftstoffmenge klein zu halten, die sich in jedem Augenblick während des Verdampfungsvorgangs auf den Verdampfungsflächen befindet, ist es erforderlich, daß zum Verdampfen des Kraftstoffs eine kleine Fläche benutzt wird; die-

se Fläche soll 200 cm für jedes in jeder Sekunde zu verdampfende Gramm Kohlenwasserstoffkraftstoff nicht überschreiten. Die Geschwindigkeit, mit der die Luft bei Vollgasbetrieb über die Verdampfungsflächen strömt, soll auf einem Wert von mindestens 25 m/sec gehalten werden, um die Verdampfungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs zu verbesern. Dieser Vorgang wird gefördert,, wenn man den flüssigen Kraftstoff der Verdampfungsvorrichtung in Form von Tröpfchen zuführt, und wenn der noch nicht verdampfte Kraftstoff als von dem Luftstrom mitgerissener Flüssigkeitssprühstrahl von einer Fläche zur nächsten strömt. Durch einen solchen "Nebelstrom" wird eine erhebliche Verstärkung des Wärmeübergangs von den Metallflächen zu dem Flüssigkeitsfilm bewirkt.

Wegen der genannten Höhe der erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit der Luft ist der Druckabfall in dem Kanal für den sekundären Strom nicht so gering, daß er vernachlässigt werden könnte. Hur ein Teil des gesamten Luitstroms überstreicht die beheizten Rohrabschnitte in dem sekundären Kanal, während die übrige Luft durch die primären Kanäle strömt. Um den Druckabfall längs der Verdampfungsvorrichtung zu verringern, sind die primären Kanäle in der nachstehend beschriebenen Weise ausgebildet. Die primären Kanäle haben die Form eines Venturirohrs. Der konvergierende Teil des Venturirohrs bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der

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Luft und eine entsprecnende Verringerung des statischen Drucks. An dem kleinsten Querschnitt, d, h., dort, wo der niedrigste Druck herrscht, geht der sekundäre Kanal in die primären Kanäle über. Der genannte niedrige Druck bewirkt, daß Luft durch den sekundären Kanal strömt. Jenseits der Vereinigungsstelle der Kanäle divergiert der Kanal in der Strömungsrichtung, damit sich die Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches verringert, während sich sein Druck erhöht. Der gesamte Druckabfall längs der Verdampfungsvorrichtung ist daher geringer als der allein an den Verdampfungsrohren auftretende Druckabfall. Die Anordnung der !'rennwände 4-6, die den eintretenden Strom in die primären Ströme und den sekundären Strom unterteilen, ist derart, daß die Durchtrittsquerschnitte der Kanäle dem Verhältnis entsprechen, das für die primären Ströme und den sekundären Strom gewählt worden ist. Der kleinste Durchtrittsquerschnitt der primären Kanäle ist so gewählt, daß sich der Druckabfall einstellt, für den Berechnungen ergeben haben, daß er erforderlich ist, da der sekundäre Luftstrom die Verdampferrohre überstreicht. Hierdurch wird gewährleistet, daß sich alle Luftströme an der Unterteilungsstelle mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen, und daß die Strömung nur in einem vernachlässigbaren Ausmaß gestört wird; die gleiche Wirkung könnte auch pit Hilfe von zusätzlichen, in den Luftkanälen angeordneten Drosselventilen erzielt werden.

Vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise wird der Kraftstoff dem sekundären Kanal mit einer solchen Durchsatzmenge zugemessen, daß ein Ausgleich für die Tatsache bewirkt wird, daß sich auf der Verdampfungsfläche eine sich ändernde Menge an flüssigem Kraftstoff befindet, so daß sich stets ein konstantes Kraftstoff-Luft-Verhältnis ergibt. Zu diesem Zweck stehen mehrere Verfahren zur Verfügung.

Bei dem ersten Verfahren handelt es sich im wesentli-

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chen um eine Abwandlung des Verfahrens, das bei einem durch einen Kolben gesteuerten Vergaser angewendet wird, z. B. einem S. U.-Vergaser oder einem Stromberg-Vergaser, bei dem die den Kraftstoff zumessende Ventil- oder Düsennadel an einem Kolben angebracht ist, dessen Stellung durch die btrömungsgeschwindigkeit der Luft geregelt wird. Hierbei wird eine Verzögerung der Bewegung der Düsennadel derart bewirkt, daß eine zeitweilige Steigerung oder Verringerung der Kraftstoff zufuhr die Änderungen der auf den Verdampfungsflächen befindlichen Kraftstoffmenee ausgleicht. Diese Verzögerung kann mit Hilfe der hat-sentragheit des Kolbens oder einer Dämpfungseinrichtung bewirkt werden.

Bei einem zweiten Verfahren wird der Luftdurchsatz durch einen Meßwandler gemessen, der ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Eine elektrische Schaltung modifiziert dieses Signal derart, daß es bei seiner Benutzung zum Betätigen eines Kraftstoffzumeßventils den Kraftstoffstrom so regelt, daß eine Kompensation bezüglich des auf den Verdampfungsflächen vorhandenen Kraftstoff, der Temperaturen, der verschiedenen Teile des Motors und des flüssigen Kraftstoffs sowie bezüglich der Temperatur und des Drucks der Luft bewirkt wird.

Bei einem dritten Verfahren wird dem Motor sowohl die Luftiiienge als auch die Kraftstoff menge so zugemessen, daß das Kraftstoff-Luft-Verhältnis konstant gehalten wird, und daß dem Motor eine der Jewäligen Stellung des Gaspedals entsprechende Menge des Gemisches zugeführt wird.

Man kann auch eine abgeänderte Vorrichtung der in 7 dargestellten Art benutzen, bei der eine Flüssigkeitsrückleitun^ 72 vorgesehen ist, deren unteres Ende tiefer liegt als die Oberfläche 14 der flüssigkeit 12 in aer Wärmeaufnahmezone. Der untere Teil 7^ der Wärmeleitung 10 erstreckt sich

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dann oberhalb des Bodens 75 des mittleren Teils 76 der Wärmeleitung, um ein Gefälle zu schaffen, das gewährleistet, daß das Kondensat nach unten zur Wärmeaufnahmeζone abläuft, ohne daß dieser Strom durch den in der "Wärmeleitung hochsteigenden Dampf gestört wird. Anstelle des S.U.-Vergasers nach Fig. 6a und 6b ist gemäß Fig. 7 eine Kraft st off einspritzdüse 78 vorgesehen.

Ein weiteres Verfahren zum Verbessern der Zirkulation des Dampfes und des Kondensats derart, daß keine sich in entgegengesetzten Richtungen bewegenden Ströme aufeinandertreffen, besteht darin, daß der Dampf in den oberen Abschnitt des mittleren Teils 76 der Wärmeleitung eingeleitet wird. Eine solche Anordnung ist in Fig. 8 dargestellt, wo die Kühleinrichtung 30 nach Fig. 7 fortgelassen ist.

Fig. 9a und 9b zeigen eine Ausführungsform, bei der die mechanische Konstruktion der Vorrichtung vereinfacht ist, und bei der mehrere getrennte Wärmeleitungen 80 vorgesehen sind. Diese Konstruktion bietet den Vorteil, daß sie auch dann noch betriebsfähig bleibt, wenn eine der Wärmeleitungen versagen sollte. Es dürfte auch möglich sein, schon vorhandene Kraftfahrzeuge mit einer vereinfachten Vorrichtung dieser Art auszurüsten. Der riehtigen Wahl des Wärmeübertragungsfludes kommt eine erhebliche Bedeutung zu; sie richtet sich nach den Eigenschaften des zu verwendenden Kraftstoffs und insbesondere nach dem Endsiebepunkt des Kraftstoffs. Der Siedepunkt des Wärmeübertragungsfludes in der bzw. jeder Wärmeleitung soll höher sein als der Endsiedepunkt des Kraftstoffs, doch darf er nicht so hoch sein, daß eine Schädigung des Kraftstoffs z. B, durch eine Krackwirkung eintritt. Bei einem typischen Benzin, dessen Endsiedepunkt im Bereich von 190° 0 liegt, soll z. B. die Betriebstemperatur der wärmeleitung nicht unter 200° C, jedoch auch nicht über JOO⁰ C liegen.

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Bei der Konstruktion der Wärmeleitung muß man ferner die maximale Menge sowie die Mindestmenge des zu verdampfenden Kraftstoffs berücksichtigen, und es muß eine ausreichende Kühlung derart möglich sein, daß in keinem Zeitpunkt die gesamte Menge der Wärmeübertragungsflüssigkeit 12 verdampft werden kann. Alternativ kann man jedoch dafür sorgen, daß die maximal transportierbare Wärmemenge durch ein vollständiges Verdampfen der Flüssigkeit 12 begrenzt wird.

Während des Betriebs soll die flüssige Phase in der Wärmeleitung nicht mehr als 4-0 % des gesamten Hauminhalts der Wärmeleitung einnehmen, so daß der verbleibende Teil des Rauminhalts von der Dampfphase und gegebenenfalls dem nicht kondensierbaren Gas eingenommen wird. Im flüssigen Zustand kann das Flud in der Wärmeleitung eine reine Substanz oder ein Gemisch sein, dessen Erstarrungstemperatur zwischen 0° C und -100° 0 liegt, während die Siedetemperatur bei atmosphärischem Druck 100° C bis 300° C beträgt. Ferner muß die Flüssigkeit chemisch stabil sein, sie darf die Werkstoffe der Wärmeleitung bzw. des Thermosyphons nicht korrodieren, und es darf keine bemerkbare chemische Zersetzung oder Reaktion im Verlauf mehrerer Jahre eintreten, wenn die Flüssigkeit in einer Wärmeleitung bzw. einem Thermosyphon benutzt wird. Als Beispiele für geeignete Flüssigkeiten seine 2-Oktanol, Dekan und Tetralin genannt.

Wenn ein hoher Wärmefluß in der Wärmeleitung erzielt werden soll, ist es vorteilhaft, wenn der Dampf der Wärmeübertragungsflüssigkeit eine mögLichst hohe Dichte aufweist. Diese Forderung würde auf einen hohen Betriebsdruck in der Wärmeleitung hindeuten, doch damit die Konstruktion nicht zu schwer wird, soll der Druck während des normalen Betriebs höchstens zwischen 1 und 4- atü liegen«

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Die Menge des nicht kondensierbaren Gases in der Wär-r meleitung übt einen erheblichen Einfluß auf die Stabilität der Betriebstemperatur der Wärmeleitung aus und muß daher bei der Herstellung genau eingehalten werden.

Wenn ein nicht kondensierbares Gas verwendet wird, soll es bei dem Betriebsdruck gasförmig bleiben, und es darf in der Wärmeleitung bzw. dem Thermosiphon keine chemischen Reaktionen bewirken. Als Beispiele für solche Gase seien Stickstoff, Helium, Argon, Neon und Krypton genannt.

Anstelle des weiter oben vorgeschlagenen Verfahrens zum Stabilisieren des Betriebs der Wärmeleitung mit Hilfe eines nicht kondensierbaren Gases, d. h., anstelle der Regelung des Wärmeverlustes der Wärmeleitung, kann die der Wäreleitung zugeführte Wärme auf mechanischem oder elektrischem Wege geregelt werden, wobei die betreffende Einrichtung z. B. in Abhängigkeit vom Druck in der Wärmeleitung arbeitet. Wenn elektrische Energie dazu dient, die Wärmeleitung zu beheizen, wird natürlich vorzugsweise ein elektrisches Verfahren angewendet.

Weiterhin ist daran gedacht, daß es zweckmäßig sein kann, für die Inbetriebsetzung eine elektrische oder eine andere Heizeinrichtung vorzusehen, die zur Wirkung kommen kann, bevor die benötigte Wärme den Abgasen entnommen werden kann. Diese Anlaßwärme könnte dem Kraftstoff über eine oder mehrere Hilfswärmeleitungen oder auf andere Weise zugeführt werden.

Ist eine erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung vorgesehen, ist es möglich, einen Benzinmotor mit einem sehr mageren Gemisch zu betreiben, d. h., mit einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis von über 20:1 zu arbeiten, so daß der Gehalt der Abgase an Kohlenmonoxid und Stickoxiden sehr niedrig wird.

Die Möglichkeit, den Kraftstoff unter Verwendung äußerst magerer Gemische zu verbrennen, gestattet außerdem eine gute

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Ausnutzung von Kraftstoffen mit einer niedrigeren Oktanzahl beim gleichen Verdichtungsverhältnis. Dies ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil es mit Hilfe der gegenwärtig gebräuchlichen Raffinationsverfahren nicht möglich ist, einen bleifreien Kraftstoff zu erzeugen, der die gleiche hohe Oktanzahl aufweist wie die bleihaltigen Superkraftstoffe.

Bei einer Gasturbine dient die Verdampfungsvorrichtung dazu, den Kraftstoff zu verdampfen, bevor ei? in der primären Verbrennungszone mit Luft gemischt wird. Ferner kann eine Verdampfungsvorrichtung benutzt werden, um verdampften Kraftstoff in sauerstoffreiche Gase einzuleiten, z. B. bei einem die Leistung herabsetzenden Triebwerk in die Nachheizeinrichtung für eine zwischen zwei Stufen angeordnete Turbine, oder bei einem Strahltriebwerk oder einem Senkrechtstart-Strahltriebwerk in eine Einrichtung zum Nachheizen der Abgase.

Patentansprüche;

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Claims

lA-40 703 .PATENTANSPRÜCHE

Vorrichtung zum Ve'rdampf en flüssigen Kraftstoffs vor dem Zuführen des Kraftstoffs zu einem Motor, dadurch g e kennzeichn et , daß eine oder mehrere Wärmeleitungen (10; 80) der beschriebenen Art vorgesehen sind, daß jede Wärmeleitung als dicht verschlossener Behälter ausgebildet ist, der ein Wärmeübertragungsflud (12) enthält und so gestaltet ist, daß sich während des Betriebs die flüssige Phase des Fludes in einer Wärmeaufnahmezone (A) sammelt und die Dampfphase (16) des Fludes in einer Wärmeabgabezone (B^ 47) kondensiert, so daß die latente Verdampfungswärme des Wärmeübertragungsfludes dazu dient, flüssigen Kraftstoff in der Strömungsrichtung vor dem Punkt zu verdampfen, an welchem er mit dem Hauptverbrennungsluftstrom gemischt werden soll.

2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der Siedepunkt des Wärmeübertragungsfludes in einem engen Bereich liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaufnahme teil (A) einer oder mehrerer Wärmeleitungen (10) in die Abgasleitung (22) des Motors hineinragt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaufnahmeteil (A) einer oder mehrerer Wärmeleitungen (10) in den Gasstrom zwischen den Turbinenstufen einer Gasturbine hineinragt.

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5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmeleitung (10) mit einer zusätzlichen Kühleinrichtung (30) versehen ist, die dazu dient, Wärme aus der Dampfphase (16) des Wärmeübertragungsfludes (12) abzuführen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennze ichnet, daß die langgestreckte Innenfläche der Wärmeleitung (10) mit einer einem Docht ähnelnden Konstruktion (17) zum Transportieren der Wärmeübertragungsflüssigkeit durch die Kapillarwirkung ausgekleidet ist.

7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die langgestreckte Innenfläche der Wärmeleitung mit Nuten versehen ist, die auf die Wärmeübertragungsflüssigkeit eine Kapillarwirkung ausüben, um die Flüssigkeit zu transportieren.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmeleitung eine bestimmte Menge eines Gases (18; 32) enthält, das innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs der Wärmeleitung nicht kodensierbar ist.

9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Gas (18; 32) ein inertes Gas ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gek ennzeichnet , daß ein zusätzlicher, zu der Wärmeübertragungszone (47) führender Kanal (50) vorgesehen ist, so daß der Kraftstoff in Gegenwart eines sekundären Luftstroms verdampft werden kann, der von dem der Ansaugleitung zugeführten Hauptluftstrom getrennt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (48) für den Hauptluft-

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strom in der StrSmungsrichtung bis zu dem Punkt konvergiert, an dem er sich wieder mit dem zweiten Kanal (50) vereinigt, und daß der Kanal jenseits dieses Punktes divergiert.

12· Vorrichtung nach einem der Ansprüche Ibis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die flüssige Phase (12) in der Wärmeleitung (10; 80) nicht mehr als 40 # des gesamten Rauminhalts der Wärmeleitung einnimmt.

13· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Siedepunkt des Wärmeübertragungsfludes bei atmosphärischem Druck im Bereich von 100° 0 bis 300° 0 liegt.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmeübertragungsflüssigkeit 2-Oktanol, Dekan, oder Tetralin ist·

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die bzw. jede Wärmeleitung (10) mit einem gesonderten Bückleitungskanal (72) für das flüssige Kondensat versehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff auf der Wärmeabgabezone mit Hilfe eines mechanischen Wischers oder Verteilers verteilt wird.

17· Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit Fremdzündung, dadurch gekennzeichnet , daß ein als Zwischenträger wirkendes Wärmeübertragungsflud, das in einen dicht verschlossenen Behälter eingeschlossen ist, in einer einer hohen Temperatur ausgesetzten Zone zum Sieden gebracht wird, und daß die latente Wärme, die beim Kondensieren des in dem Behälter entstehenden Dampfes frei wird, dazu dient, den Kraftstoff zu verdampfen, bevor er dem Hauptverbrennungsluft strom beigemischt wird.

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