DE2262770A1

DE2262770A1 - Vorrichtung zum erwaermen des kraftstoff-luft-gemisches bei vergaser-brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2262770A1
Application number: DE2262770A
Authority: DE
Inventors: Yoshishige Oyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1971-12-22
Filing date: 1972-12-21
Publication date: 1973-06-28
Also published as: JPS5025090B2; US3892211A; DE2262770C3; JPS4868920A; DE2262770B2

Description

Patentanwälte Dipi.-Jrsg. F=*. :"* ''' T Z Dipl-'n;,. Ε«'. J-.\"-":-^:. .3

Dr.-inj. i'. J . 2 Jr.

θ München 22, Stemsdorfetr. It

81-19.951^(19.952H) 21. 12. 1972

HITACHI. LTD.... T ο k i ο (Japan)

Vorrichtung zum Erwärmen des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei Vergaser-Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei Vergaser-Brennkraftmaschinen.

Um den Gehalt der Abgase an Schmutzstoffen zu verringern, hat man ein Verfahren zum Erwärmen des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgeschlagen, damit das in die Zylinder der Maschine einzuführende Kraftstoff-Luft-Gemisch verhältnismäßig mager sei. Die Ansaug-Verteilerrohre werden durch das Kühlwasser oder durch das Auspuffgas der Maschine erwärmt, oder die erwärmte Luft, die das Auspuff-Sammelrohr umgibt, wird durch geeignete Filter gereinigt und in die Vergaser geleitet, um die Verdampfung des Kraftstoffes zu steigern. Wenn man das Kraftstoff-Luft-Gemisch verdünnt, kann man die im Abgas enthaltenen Schmutzstoffe merklich verringern, aber die Verbrennung wird unstabil» Um diese

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Schwierigkeit zu überwinden, muß man das Kraftstoff-Luft-Gemisch genügend erwärmen, um den Kraftstoff vollständig zu verdampfen. Aber die Aufladung wird, wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch auf eine Temperatur zwischen 100 C und 150 C erwärmt wird, verringert, so daß die ahgebbare Leistung um ca. 10 $ - 20 % kleiner wird. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, hat man das sogenannte Mehrfach-Ansaug-Verteilerrohr-System vorgeschlagen, bei dem für jeden Zylinder parallel zueinander ein Ansaug-Verteilerrohr, welches eine Heizvorrichtung für Kraftstoff-Luft-Gemisch enthält, und ein Ansaug-Verteilerrohr ohne solche Heizvorrichtung für Kraftstoff-Luft-Gemisch vorgesehen sind. Bei niedriger Maschinendrehzahl wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch den Zylindern durch den mit jener Heizvorrichtung ausgestatteten Verteiler zugeführt; aber bei hoher Maschinendrehzahl wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den nicht mit Heizvorrichtung versehenen Verteiler eingeführt, so daß Leistungsabfall vermieden wird. Jedoch hat diese Einrichtung den Nachteil, daß der instabile Maschinenbetrieb gerade dann, wenn die Drehzahl gesteigert wird, d. h. wenn die Zufuhr des Kraftstoff-Luft-Gemisches von dem mit der Einrichtung zum Vorwärmen des Kraftstoff-Luft-Gemisches versehenen Verteiler auf den nicht mit solcher Einrichtung versehenen Verteiler umgeschaltet wird, eintritt.

Daher ist eine der Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung zum Erwärmen von Kraftstoff-Luft-Gemisch zu schaffen, die das Kraftstoff-Luft-Gemisch erwärmen kann, ohne den Füllungsgrad über den ganzen Drehzahlen-Dereich ungünstig zu beeinflussen.

Kurz gesagt, eines der neuen Merkmale der Erfindung besteht darin, daß, nachdem das Kraftstoff-Luft-Gemisch er-· wärmt worden ist, die niedrigsLedenen Kraftstoffbestandteile

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von den hochsiedenden Bestandteilen getrennt werden derart, daß die niedrigsiedenden Bestandteile zur Achse des Verteilerrohres hin zusammengedrängt, also von der Wand des Ansaugverteilerrohres weggedrängt werden, und daß danach das Kraftstoff-Luft-Gemisch, ehe es in den Zylinder geleitet wird, auf eine passende Temperatur gekühlt wird.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles nebst zugehöriger Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:

Fig.» 1 »und 2 schematische Schnittzeichnungen einer

ersten bzw. einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erwärmen von Kraftstoff-Luft-Gemisch;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Vorteile der erfindungs- " gemäßen Vorrichtung vor den bekannten Vorrichtungen zeigt.

Wie Fig. 1 zeigt, ist an einem Vergaser 1 mit einer Zwischenlage 6 A ein Heizrohr 2 mit einem darin angeordneten Drahtnetz angeschlossen. An das Heizrohr 2 ist über eine Zwischenlage 6 B.ein Wärmedämm-Rohr 3 mit darin angeordneter Venturidüse 12 angeschlossen. An dieses Wärmedämm-Rohr 3 ist über eine Zwischenlage 6 C ein Ende eines Kühlrohres k angeschlossen, und dieses KUhlrohr k ist mit seinem anderen Ende über eine Zwischenlage 6 D an ein Ansaugrohr 5 eines Brennkraftmaschinen-Zylinders 7 angeschlossen, das ein Ansaugventil 8 enthält.

Das Heizrohr 2 und das Kühlrohr 4 haben Mantelräume 2' bzw. 4', die je von einer inneren und äußeren Wand gebildet werden. Der Mantelraum 2' des Heizrohres 2 ist durch

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eine Flüssigkeitsleitung mit einem wassergefüllten, leckdicht verschlossenen Verdampferrohr 9 verbunden, und der Mantelraum 4¹ des Kühlrohres k ist durch eine Flüssigkeitsleitung mit einem Kondensatorrohr 10 verbunden, welches ebenfalls leckdicht verschlossen ist und ein Kühlmittel von niedrigerem Siedepunkt als demjenigen des Wassers, z. B. Alkohol, enthält. Ein Teil des Verdampferrohres 9 ist innerhalb eines AuspuffSammlers 11 angeordnet, so daß das im Verdampferrohr 9 enthaltene Wasser vom Auspuffgas erwärmt werden kann. Ein Teil des Kondensatorrohres 10 ist im Einlaßkanal des Vergasers 10 angeordnet, so daß die im Kondensatorrohr 10 enthaltene Flüssigkeit gekühlt werden kann, wenn der dem Zylinder 7 zuzuführende Kraftstoff verdampft.

Wenn die Maschine angelassen wird, dann wird das im Verdampferrohr 9 enthaltene Wasser vom Auspuffgas erwärmt, und der entstandene Dampf strömt in den Mantelraum 2¹ des Heizrohres 2, so daß der niedrigsiedende Brennstoffanteil, der aus dem Vergaser heranströmt und der noch nicht verdampft ist, durch die Wärme, die von dem im Mantelraum 2* des Heizrohres 2 befindlichen Dampf übertragen wird, völlig verdampft werden kann. Der Heizwert von 1 kg Kraftstoff ist etwa 10 000 WE, aber etwa 30 # davon, d. h. 3000 WE gehen mit dem Auspuffgas verloren. Die zur völligen Verdampfung des Kraftstoffs nötige Wärme ist etwa 80 WE/kg, so daß der Kraftstoff im Heizrohr 2 durch die in der oben beschriebenen Weise aus dem Auspuffgas zu gewinnende Wärme völlig verdampft werden kann. Der verdampfte Kraftstoff mischt sich mit der Luft, wenn er durch das im Heizrohr 2 angeordnete Drahtgeflecht hindurchgeht. Damit die niedrigsiedenden Kraftstoffbestandteile, die bei hoher Temperatur verdamt sind, nicht an den Wänden des Kühlrohres k und des Ansaug-Verteilere 5 haften, ist im Wärmedämm-Rohr 3 die Venturidüse 12 angeordnet. Da die spezifische Dichte des niedrigsiedenden Kraftstoffanteils im allgemeinen größer als die-

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jenige des hochsiedenden Beatandteiles und der Luft ist, werden die niedrigsiedenden Bestandteile, nachdem sie die Engstelle der Venturidüse 12 durchströmt haben, gezwungen, nahe'der Achse des Kühlrohres 4 zu fließen, während die, hochsiedenden Bestandteile und die Luft dicht an der Wand entlangströmen* ■

Wenn die niedrigsiedenden Bestandteile des Kraftstoffes im Heizrohr Z erwärmt und verdampft sind, dann ist auch die Luft erwärmt _f so daß das Gewicht des dem Zylinder zuzuführenden Kraftstoff-Luft-Gemisches um einen Betrag verringert ist, der der Abnahme des spezifischen Gewichtes der erwärmten Luft entspricht, Z, B, würde das Gewicht des dem Zylinder 7 zuzuführenden Kraftstoff-Luft-Gemisches bei 100 ⁰C um etwa 15 % kleiner sein, als wenn das Gemisch bei ZQ C zugeführt würde, und dann würde natürlich die Ausgangsleistung der Maschine entsprechend kleiner sein. Damit diese Abnahme der Maschinenausgangsleistung vermieden wird, erfolgt Kühlung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Kühlrohr 4, durch dessen Mantelraum 4· das Kühlmittel fließt, das z, B, Alkohol ist, dessen Siedepunkt niedriger als derjenige von Wasser ist. Die niedrigsiedenden Bestandteile werden» da sie durch das Kühlrohr 4, wie oben beschrieben» nahe seiner Achse, also fern von der Rohrwand fließen, und da die Kühlungsdauer verhältnismäßig kurz ist, nicht wieder verflüssigt, selbst wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch bis auf ZO ⁰C heruntergekühlt wird. In diesem Fall werden die hochsiedenden Bestandteile gehindert, an der Wand des Kühlrohres 4 zu haften. So wird das übersättigte Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 7 geführt. Da das spezifische Gewicht des Kraftstoff-Luft-Gemisches vergrößert ist, so ist auch der Füllungsgrad erhöht und die Abnahme der Ausgangsleistung verhindert» Das Kühlmittel, das im Kühlrohr 4 durch dis dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, entasogene Wärme verdampft worden ist, fließt in den am Eingang des Vergasers 1 befindlich««'Teil des

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torrohres 10 zurück und wird, da der Kraftstoff im Vergaser 1 verdampft wird, auf eine Temperatur verflüssigt, die niedriger als die Temperatur der angesaugten Luft ist.

Diese Beschreibung zeigt also, daß durch die erfindungsgemäße Einrichtung der Kraftstoff völlig verdampft werden und die durch die Verdampfung des Kraftstoffes drohende Abnahme des Füllungsgrades verhindert werden kann, also die Abnahme der Ausgangsleistung vermieden und der Gehalt der Auspuffgase an Schmutzstoffen verringert werden kann*

Es sei bemerkt, daß Auspuffgas abgezweigt und statt des Wassers durch das Heizrohr 2 geleitet werden und daß Kühlmittel im Kühlrohr k und im Kondensatorrohr 10 durch eine Pumpe umgewälzt werden kann.

Bei der in Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführung»form ist an den Vergaser ein Ende eines Ansaugverteilers 5 und an dessen anderes Ende ein Heizrohr 13 angeschlossen, das zum Teil innerhalb des AuspuffSammlers 11 angeordnet ist. Ein Kühlrohr 14, das innerhalb des Heizrohres 13 und koaxial zu diesen angeordnet ist, ist an den Zylinder 7 durch das Einlaßventil 8 angeschlossen. Wie ersichtlich, fließt das Kraftstoff-Luft-Gemisch abwärts durch das Heizrohr 13 und dann aufwärts durch das Kühlrohr \k zum Zylinder 7. Am Boden des Heizrohres 13 1st ein kegeliger Vor* sprung 18 angeordnet, am Einlaß des Kühlrohres 14 ist eine Venturidüse 15 und im Kühlrohr Ik ist dort, wo es sich umbiegt, eine Umlenkschaufel 16 vorgesehen, und an der Außenwand des Kühlrohres I²* ist eine größere Anzahl von Kühlrippen 17ι die den Wärmeübergang erleichtern sollen, angeordnet.

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Wenn der vom Vergaser 1 kommende Kraftstoff abwärts durch das Heizrohr 13 strömt, wird er durch das Kraftstoff-Luft-Gemisch, das im Kühlrohr 14 aufwärts strömt', nachdem es vom Abgas erwärmt worden ist, erwärmt. So werden die hochsiedenden Kräftstoffbestandteile vollkommen verdampft, und das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird auf seinem Weg durch das Kühlrohr 14 gekühlt und dann in den Zylinder 7 geführt. Die niedrigsiedenden Kraftstoffbestandteile können, während sie sich dem Boden des dem Abgas ausgesetzten Heizrohres 13 nähern, ebenfalls völlig verdampft werden. Infolgedessen wird der Kraftstoff beim Strom aus dem Heizrohr 13 in das Kühlrohr 14 vollkommen verdampft. Der am Boden des Heizrohres 13 angeformte kegelige Vorsprung 18 dient dazu, den Strom des Kraftstoff-Luft-Gemisches vom Boden des Heizrohres 13 in das Kühlrohr 14 umzulenken. Wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch am kegeligen Vorsprung 18 entlang und durch die am Einlaß ins Kühlrohr 14 angeformte Venturidüse 15 strömt, werden die niedrigsiedenden Bestandteile, die ein großes spezifisches Gewicht haben, gezwungen, nahe der Achse des Kühlrohres 14 zu strömen, also - wie schon bei der ersten Ausführungsform - von der Wand des Kühlrohres wegzuströmen; es wird also wirksam verhindert, daß diese niedrigsiedenden Bestandteile am Einlaß des Kühlrohres 14 an dessen Wand verflüssigt und festgehalten werden. So kann das übersättigte Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder 7 geführt werden. Die Leitschaufel 16 dient auch dazu, zu verhindern, daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch im gekrümmten Teil des Kühlrohres Sekundärströmungen (Wirbel) bildet; es können also die niedrigsiedenden Bestandteile nahe der Achse des Kühlrohres 14 konzentriet bleiben.

Wie oben beschrieben, kann der völlig verdampfte Kraftstoff in den Zylinder 7 eingeführt werden, ohne daß der Füllungsgrad der Maschine vermindert würde, und daher kann mit der Maschine eine relativ hohe Leistung aus einem ver-

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hältnismäßig mageren Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugt werden. Daher kann der Grenzwert des Verhältnisses Luft-Kraftstoff, der üblicherweise etwa 18 - 19 beträgt, weiter auf 22 - 2k verdünnt werden, ohne daß die Ausgangsleistung der Maschine abnähme. Ferner läßt sich der Gehalt der Auspuffgase an Schmutzstoffen wesentlich verringern.

Fig. 3 zeigt die Beziehungen zwischen dem Verhältnis Luft-Kraftstoff und dem Ausgangsleistungs-Verhältnis, sowie der Stickstoffoxyd-Konzentration (NO) in ppm. Die vollen Linien A sind die Kennlinien der Maschine mit der erfindungagemäßen Heizvorrichtung; die gestrichelten Linien B sind die Kennlinien der mit üblicher Heizvorrichtung für das Kraftstoff-Luft-Gemisch ausgestatteten Maschine. Die vom Erfinder ausgeführten Versuche zeigten, obwohl das im Diagramm der Fig. 3 nicht zu ersehen ist, eine merkliche Verminderung von Kohlenwasserstoff und Kohlenmonoxyd im Abgas, besonders wenn das Verhältnis Luft-Kraftstoff etwa 20 beträgt.

Im Vergleich zum Ansaugverteiler bekannter Art hat die Erfindung die Vorteile, daß die Schwankung der Maschinendrehzahl äußerst klein, die Beschleunigung geschmeidiger und der Kraftstoffverbrauch sehr verringert ist.

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Claims

Patentansprüche

ί 1./Vorrichtung zum Erwärmen von Kraftstoff-Luft-Gemisch zwischen einem Vergaser und einem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, gekennzeichnet durch

a) eilie Einrichtung (2, "13) zum 'Erwärmen des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die unmittelbar hinter'dem Vergaser (1) angeordnet ist, ■ ' ■ ■ . . - .·..-'.

b) eine Einrichtung (12, 15) zur Senkung; des Kraftstoff-Stromes, welche· unmittelbar hintet" der Einrichtung (ä, 13) zum "Erwärmen des "Kraft stoff-Luft-Gemisches angeordnet" ist und die iiiedrigsiödencten Bestandteile des durch die· Einrichtung ziim Erwärmen des Kraftstoff-Luft-Gemisches erwärmten und verdampf ten" Kr* aft stoff es zwingt, ^; zur Achse der Einrichtung für das Erwärmen des Kraftstoff-Luft-Gemisches und zur Achse des' An-saügr'ohres ('5) hin- und entlang "^dieser Achse zti ^;s1;r6men," und '"*-"· ' ^:" ''"'

c) eine Einrichtung (4,' 14) zum: Küüleri des zum Ansaugverteiler (5) strömenden Kraftstoff-Luft-Gemisches, die unmittelbar hinter der genannten Einrichtung (12, 15) zur Lenkung des Gemischstromes angeordnet ist.
2. Vorrichtung zum Erwärmen von Kraftstoff-Luft-Gemisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Einrichtung zum Erwärmen des Kraftstoff-Luft-Gemisches ein Heizrohr (2), das zwischen einer äußeren und einer inneren Wand einen hohlen Zwischenraum (2¹) aufweist, und ein Verdampferrohr (9) enthält, welches mit dem hohlen Zwischenraum (2¹) des Heizrohres (2) hydraulisch verbunden

und mindestens teilweise in einem Auspuffrohr (11) d^r Maschine angeordnet ist, so daß der Kraftstoff im Heizrohr (2) erwärmt und vollständig verdampft werden kann durch die Wärme, die von Flüssigkeit abgegeben wird, welche in dem hohlen Zwischenraum (2¹) und dem Verdampferrohr (9) eingeschlossen ist und von dem durch das Auspuffrohr (11) strömenden Abgas erwärmt und durch den hohlen Zwischenraum (2¹) und das Verdampferrohr (9) umgewälzt wird,

b) die Einrichtung zur Lenkung des Kraftstoff-Stromes ein Wärmedämm-Rohr (3) mit einer darin angeformten Venturidüse enthält, durch die die niedrigsiedenden verdampften Bestandteile des Kraftstoffes gezwungen werden können, zur Achse des Aufpuffrohres (5) hin zu strömen und nahe an der Achse entlang zu strömen,

c) die Einrichtung zum Kühlen des Kraftstoff-Luft-Gemisches ein Kühlrohr (4), das zwischen einer äußeren und einer inneren Wand einen hohlen Zwischenraum (4^f) aufweist, und ein Kondensatorrohr (io) enthält, welches hydraulisch mit dem hohlen Zwischenraum (4·) des Kühlrohres (4) verbunden und von dem wenigstens ein Teil an einer Venturidüse des Vergasers angeordnet ist, so daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch ein Kühlmittel gekühlt werden kann, welches leckdicht im Kondensatorrohr (.10) und im hohlen Zwischenraum (4¹) des Kühlrohres (4) eingeschlossen ist.
3. Vorrichtung zum Erwärmen von Kraftstoff-Luft-Geniisch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Vergaser (i) durch den Ansaugverteiler (5) ankommende Kraftstoff-Luft-Gemisch gezwungen wird, durch ein Heizrohr (13). das mindestens teilweise unmittelbar von der land eines Auspuffsammeirohres (5) der Maschine berührt wird und in dem zur Umlenkung des Kraftstoff-Luft-Gemlschea ein ke-

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geliger Vorsprung (i8) angeformt ist, und durch ein Kühlrohr (1^) zu strömen, in welchem an seinem Eingang gegenüber dem im Heizrohr (13) angeordneten kegeligen Vorsprung (18) eine Venturidüse (15) angeordnet ist, so daß der Wärmetausch zwischen dem durch das Heizrohr (13) und das Kühlrohr (i4) in einander entgegengesetzten Richtungen strömenden Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Wand des Kühlrohres (i4) erfolgen kann.

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