DE2418548A1

DE2418548A1 - Brennstoffverdampfungsvorrichtung fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2418548A1
Application number: DE2418548A
Authority: DE
Inventors: Ian Chirnside Finlay; Schottland Glasgow; Geoffrey Anthony Harrow; Walter Derek Mills; John Linley Wilson
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1973-04-19
Filing date: 1974-04-17
Publication date: 1974-11-14
Also published as: FR2226567B1; BR7403078D0; AU476916B2; JPS50215A; ES425394A1; CA1010735A; US3939813A; SE7405174L; AU6797574A; BE813837A; GB1467255A; FR2226567A1; IT1006460B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffverdampfungsvorrichtung, die für das Verdampfen der flüssigen Brennstoffüllung im Einströmsystem einer Brennkraftmaschine geeignet ist, und auf eine Brennkraftmaschine mit einer solchen Vorrichtung.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Wärmerohr.

Der herkömmliche, funkengezündete Benzinmotor hat einen Vergaser, der den gewünschten Anteil eines flüchtigen Brennstoffs mit der einströmenden Luft mischt. Für eine vollständige Verbrennung des Brennstoff-Luft-Gemisches muß der Brennstoff in der Luft gleichförmig dispergiert sein. Ein solches gleichförmiges Gemisch wird in der Praxis, wenn überhaupt, nur sehr selten mit einem herkömmlichen Vergaser erreicht. Die verteilte Brennstoffeinspritzung führt nur zu einer begrenzten Verbesserung.

Bei den Brennstofff-Luft-Gemischen, die auf diese herkömmlichen Weisen erreicht werden, ist der Brennstoff wenigstens teilweise in Form von kleinen Flüssigkeitströpfchen und als Flüssigkeitsfilm an den Wänden der Verteilerleitung vorhanden.

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Es wurde vorgeschlagen, mit Hilfe eines Wärmerohrs bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur ausreichend Wärme zuzuführen, um die gesamte Füllung des flüssigen Brennstoffs vor dem Mischen mit dem größeren Teil der Verbrennungsluft zu verdampfen, damit man ein gleichförmiges Gemisch"von Brennstoff und Luft erhält. Dabei ist in einer Anzahl von Fällen ein Rückströmen des verdampften Brennstoffs in den Luftzuführungsleitungen und eine Kondensation des verdampften Brennstoffes in diesen Leitungen festgestellt worden. Dies ist ein Nachteil dieser Verfahren, da in diesen Fällen ein gleichförmiges Luft-Brennstoff-Gemisch nicht erreicht wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, diese Nachteile zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Brennstoffverdampfungsvorrichtung, die für das Verdampfen der Füllung aus flüssigem Brennstoff in dem Einströmsystem einer Brennkraftmaschine vor dem Einführen in deren Verbrennungsraum durch ein oder mehrere Wärmerohre, wie sie hier spezifiziert sind, gelöst, von denen jedes die Form eines im wesentlichen abgedichteten Behälters hat, der ein Wärmeübertragungsfluid mit einem Siedepunkt bei Atmosphärendruck von bis zu 4oo C enthält und so gebaut ist, daß in Betrieb das Wärmeübertragungsfluid in der flüssigen Phase Wärme in einer Wärmeaufnahmezone, die mit den heißen Abgasen der Maschine in Kontakt bringbar ist, aufnimmt und daß Fluid in der Dampfphase kondensiert und Wärme in einer Wärmeabgabezone, die mit der zu verbrennenden Brennstoffüllung in Kontakt bringbar ist, abgegeben wird, nachdem die Brennstofffüllung mit wenigstens dem Hauptteil der Verbrennungsluft gemischt worden ist.

Der Ausdruck "Wärmerohr", wie er hier verwendet wird, soll Einrichtungen umfassen, die als "Zweiphasen-Thermosiphon" bekannt sind. Dieser Ausdruck wird aufgrund der Anwesenheit

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von sowohl der flüssigen als auch der dampfförmigen Phase in der Einrichtung abgeleitet. Die Geometrie des Wärmerohres ist nicht auf kreisförmige oder rohrförmige Ausgestaltungen begrenzt. Vorteilhafterweise ist in dem Wärmerohr für die Rückführung von kondensiertem Wärmeübertragungsfuid, beispielsweise durch ein Rohr, gesorgt, so daß das kondensierte Wärmeübertragungsfluid zu der Masse der Flüssigkeit in dem Wärmerohr transportiert werden kann, ohne mit dem aufsteigenden Dampf des Wärmeübertragungsfluids in Kontakt zu kommen.

Die Verwendung von einem oder mehreren Wärmerohren ermöglicht die Zuführung von Wärme zu dem Brennstoff in einem eingeengten Temperaturbereich ohne Rücksicht auf den geforderten Brennstoff durchsat ζ . Beim Anlaufen erreichen das Wärmerohr oder die Wärmerohre ihre Betriebstemperatur erheblich schneller als ein massiver Wärmeleiter. '

Das Wärmeübertragungsfluid in dem Wärmerohr sollte vorzugsweise einen Siedepunkt bei Atmosphärendruck von 60 bis 4oo C haben. Wärmeübertragungsfluide mit einem höheren Siedepunkt bei dem Betriebsdruck im Wärmerohr können Anlaß.für ein Cracken des Brennstoffes geben, "während Wärmeübertragungsfluide mit niedrigeren Siedepunkten nicht in der Lage sind, den ganzen Brennstoff zu verdampfen. Wärmeübertragungsfluide mit einem Siedepunkt bei Atmosphärendruck von 60 bis 3°o C werden bevorzugt.

Die Wahl des Wärmeübertragungsfluids hängt von den gesamten Eigenschaften des zu verwendenden Brennstoffs und insbesondere von dein Siedeendpunkt des Brennstoffs ab. Der Siedepunkt beim Betriebsdruck des Wärmeübertragungsfluid in dem Wärmerohr liegt im allgemeinen höher als der Siedeendpunkt des Brennstoffs, In flüssiger Form kann das Wärmeübertragungsfluid eine reine Substanz oder ein Gemisch sein, dessen Gefriertemperatur zwischen 0 C und-loo C liegt. Das Fluid soll bei der Betriebstemperatur des Wärmerohres chemisch stabil sein und gegenüber

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den verwendeten Werkstoffen nicht korrodierend wirken. In einem Zeitraum von mehreren Jahren, wenn sich das Fluid in dem Wärmerohr befindet, soll eine merkliche chemische Zersetzung oder Reaktion nicht eintreten. Beispiele für geeignete Warmeübertragungsfluide sind 2-Octanol, Dekan , Tetralin, Fluide, welche Wasser aufweisen, beispielsweise Wasser für sich und Mischungen von Wasser und einem oder mehreren Alkoholen, wie Methanol, Äthanol oder Äthylenglykol.

Um längs des Wärmerohres eine hohe Wärmestromdichte zu erhalten, ist es vorteilhaft, daß der Dampf des Wärmeübertragungsfluids so dicht wie möglich ist. Dies führt leicht zu einem hohen Betriebsdruck in dem Rohr. Um jedoch eine sehr schwere Konstruktion zu vermeiden, sollte der Druck bei Betriebsbedingungen unter Io at gehalten werden.

Bei der Konstruktion des Wärmerohres sind auch die Erfordernisse für die maximale und minimale Verdampfung zu berücksichtigen, so daß zu keiner Zeit die ganz Wärmeübertragungsflüssigkeit verdampfen kann. Alternativ kann die völlige Verdampfung der Flüssigkeit zur Begrenzung des maximal übertragbaren Wärmestroms benutzt werden.

Die wärmeaufnehmende Zone eines jeden Wärnierohres ist so angeordnet, daß Wärme von den Abgasen aufgenommen wird. In dem Wärmerohr kann zum Einsatz während des Anlaufens vom kalten Zustand eine zusätzliche Wärmequelle für das Warmeubertragungsfluid vorgesehen werden. Als solche Wärmequelle ist beispielsweise eine elektrische Heizung oder eine selbstblasende Benzinlötlampe geeignet, die ein rohrförraiges Siedegefäß in dem Warmeubertragungsfluid erhitzt. Zweckmäßigerweise wird eine solche zusätzliche Wärmequelle automatisch von dem Zündschlater der Maschine gezündet und automatisch abgestellt, wenn das Wärmerohr die Betriebstemperatur erreicht, bei der es von den Abgasen erhitzt wird. Für die automatische Arbeitsweise können herkömmliche elektrische Schaltungen in geeigneter Weise benutzt werden.

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Da der Wärmebedarf von dem Wärmerohr stark variieren kann, kann Überschußwärme entweder durch, zusätzliche Kühleinrichtungen oder durch Regulierung der Wärmezufuhr entfernt werden. Zusätzliche Kühleinrichtungen können beispielsweise aus einem Waben- oder Rohrbüridelkondensator*im oberen Teil des Wärmerohres bestehen, der beispielsweise mit Hilfe des Kühlsystems der Brennkraftmaschine gekühlt werden. Bei der Verwendung von zusätzlichen Kühleinrichtungen ist eine gesonderte Rückführleitung für das von dieser Einrichtung kondensierte Wärmeübertragungsfluid zu der Flüssigkeitsmasse des Fluids im Wärmerohr besonders geeignet, ohne daß dabei ein Kontakt dieses kondensierten Warmeübertragungsfluids mit der wärmeabgebenden Zone oder mit dem aufsteigenden Dampf des Wärmeübertragungsfluids stattfindet. Es ist auch möglich, den oberen Teil des Wärmerohres selbst dadurch zu kühlen, daß es mit dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine verbunden wird. Als zusätzliches Kühlmittel kann auch Luft verwendet werden.

Außer dem Warmeübertragungsfluid ist auch der Einschluß eines nicht kondensierbaren Gases in dem Wärmerohr und/oder in einem getrennten Behälter in offener Verbindung mit dem Wärmerohr eine zweckmäßige Einrichtung, um eine Überhitzung des Wärmeübertragungefluids zu verhindern. In Betrieb wird das nicht kondensierbare Gas zu einem relativ kühlen Teil des Behälters durch die Bewegung des Warmeübertragungsfluids getrieben und wird fortschreitend komprimiert, wenn die Temperatur in dem Wärmerohr über die gestellten Anforderungen hinaus steigt. Dieser Wärmeverlust aus dem im Wärmerohr aufsteigenden Dampf auf der Höhe der zusätzlichen Kühleinrichtung, die vorzugsweise vorhanden ist, bestimmt den Verlust der Überschußwärme und verhindert so eine Überhitzung.

Die Menge des nicht kondensierbaren Gases in dem Wärmerohr und/oder in einem Behälter in offener Verbindung damit hat

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eine beträchtliche Auswirkung auf die stabile Betriebstemperatur des Wärmerohres und sollte deshalb bei der Installierung sorgfältig reguliert werden.

Das nicht kondensierbare Gas sollte, falls es vorhanden ist, beim Betriebsdruck gasförmig sein und chemisch mit dem Thermosiphon oder Wärmerohr nicht reagieren. Beispiele sind Luft, Stickstoff, Helium, Argon, Neon und Krypton.

Vorteilhaft ist auch eine physikalische Trennung zwischen dem nicht kondensierbaren Gas und dem Wärmeübertragungsfluid. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines Kolbens oder dadurch erreicht werden, daß das nicht kondensierbare Gas in einem geschlossenen kompressiblen Behälter gehalten wird, beispielsweise in einem Balg aus rostfreiem Stahl oder aus Kautschuk, der gegenüber dem Wärmeübertragungsfluid bei der herrschenden Temperatur resistent ist.

Um die Überschußwärme aus dem Wärmerohr durch eine zusätzliche Kühleinrichtung zu entfernen, ist es auch möglich, einen Kolben zu benutzen, der mit einer Feder am oberen Ende des Wärmerohres befestigt ist. Wenn die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids und demzufolge der Fluiddruck ansteigt, wird die Feder komprimiert, was zu einer vergrößerten Kontaktfläche zwischen dem Dampf des Wärmeübertragungsfluids und der zusätzlichen Kühleinrichtung führt. In diesem Fall kann ein nicht kondensierbares Gas vorhanden sein, es kann jedoch auch weggelassen werden.

Die zusätzlichen Küjileinrichtungen bestehen zweckmäßigerweise aus einem Teil des Kühlsystems der Brennkraftmaschine, wie bereits erwähnt w^irde,und speziell aus einer Kühlflüssigkeit des Kühlsystems, im allgemeinen auf der Basis von Wasser, es kann jedoch auch Luft verwendet werden.

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Wie vorstehend erwähnt wurde, kann eine Überhitzung des Wärmerohres auch dui'ch Regulierung der Wärmezufuhr vermieden werden. Dies kann beispielsweise erfindungsgemäß bei einer Brennkraftmaschine mit einem Einströmsystem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Regulieren der Abgasmengen erreicht werden, die mit dem wärmeaufnehmenden Bereich des Wärmerohres in Kontakt gebracht werden. Die Abgasmenge kann zweckmäßigerweise von einem Nebenschlußventil in dem Abgassystem reguliert werden, welches einen Teil der Abgase über einen Bypass führt. Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn das Nebenschlußventil mittig an der Stelle der Aufzweigung des Abgasstroms angelenkt wird. Dc\s Nebenschlußventil wird vorzugsweise automatisch reguliert, beispielsweise entsprechend dem Druck im Wärmerohr oder der Lage der Drossel im Einströmsystem oder der Temperatur des Abgases. Diese automatischen Regulierungen können elektrisch, beispielsweise wenn Druck im Wärmerohr oder die Temperatur des Abgases die Lage des Nebenschlußventils in dem Abgassystem festlegt, oder mechanisch, beispielsweise durch Verbinden der Drossel in dem Einströmsystem und der Drossel in dem Abgassystem, oder durch Steuerung des Nebenschlußventils in dem Abgassystem in Beziehung zum Druck in dem Wärmerohr, beispielsweise mit Hilfe eines mit Fluid gefüllten Kolbens oder Balges erfolgen, der mit dem Wärmeübertragungsfluiddampf in dem Wärmerohr und mit dem Nebenschlußventil verbunden ist. Es können auch gemischte Reguliersysteme verwendet werden.

Das Wärmerohr besteht im wesentlichen aus einem abgedichteten Behälter, wobei in den meisten Fällen keine Luft von der Außenseite in das Wärmerohr eintreten kann. Gewünschtenfalls kann ein Entlüftungssystem an dem Wärmerohr angebracht werden, wenn darin Luft oder ein nicht kondensierbares Gas vorhanden ist, im allgemeinen ist das Wärmerohr jedoch absolut gasdicht und ein daran befestigtes Entlüftungssystem überflüssig.

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Das Gemisch des Brennstoffes und des Hauptteils der Verbrennungsluft wi**d mit einem gewünschtenfalls geeignet modifizierten herkömiiilichen Vergaser oder mit Hilfe eines Brennstoff einspritzsystems. hergestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren, bei welchem der Brennstoff mit dem Hauptteil der Verbrenmmgsluft, vorzugsweise mit der gesamten Verbrennungsluft, vox' dem Verdampfen gemischt, wird, führt zu einem in die Z3^rlinder einzuführenden Luft-Brennstoff-Gemisch, welches homogener ist als das bei einem Verfahren erzielte Gemisch, bei welchem der Brennstoff vor dem Vermischen mit dem Hauptteil der Verbrennungsluft verdampft wird, da bei dem letzteren Verfahren kein intensives Vermischen des Gasstroms, der den verdampften Brennstoff und die Luft enthält, erfolgen kann.

Ein sehr homogenes Gemisch ist von Vorteil, da bei dein gerade noch möglichen magersten Luft-Brennstoff-Verhältnis, bei welchem die Maschine ohne Ausetzen angetrieben werden kann, ein homogenes Gemisch zum Entstehen von geringeren Mengen von Iiohlenmonoxyd im Abgas führt als ein weniger homogenes Gemisch. Dies geht aus dem später angeführten Beispiel hervor.

Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Einströmsystems gegenüber einem System, bei welchem der Brennstoff vor dem Vermischen mit dem Hauptteil der Verbrennungsluft verdampft wird, ergibt sich dadurch, daß beim Beschleunigen oder Verzögern keine Probleme auftreten. Bei einem System, bei welchem der Brennstoff getrennt und vor dem Vermischen mit dem Haupt- teil der Verbrennungsluft verdampft wird, ist bei der Beschleunigung die Menge des verdampften Brennstoffes, welche mit der Luft gemischt wird, nicht optimal, da der Widerstand der beiden Gasströme nicht gleich ist. Zunächst wird bei der Beschleunigung der verdampfte Brennstoffstrom verglichen mit dem Luftstrom verlangsamt, wodurch magere Gemische entstehen und demzufolge das Stehenbleiben der Maschine eingeleitet wird,

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Danach erhält man ein stärker angereichertes bzw. fetteres Gemisch, was zu einer starken Beschleunigung führt. Wenn dies beim Beschleunigen wiederholt auftritt, ergibt sich dadurch ein instabiler Lauf der Maschine. Der entgegegesetzte Fall tritt bei der Verzögerung ein, was zu gleichartigen Erscheinungen führt.

Wenn der Brennstoff in Anwesenheit der Verbrennungsluft gemäß der Erfindung verdampft wird, ist ein instabiler Lauf der Maschine nicht feststellbar.

In dem Einlaßsystem einer Brennkraftmaschine gemäß der Erfindung wird der Brennstoff verdampft, nachdem er mit wenigstens dem Hauptteil der einströmenden Luft gemischt worden ist. Wenn die Geschwindigkeit der Luft im Einströmsystem einen hohen Wert erreicht, was der Fall ist, wenn die Maschine mit hoher Geschwindigkeit läuft, wird der Druckabfall stromab vom Mischpunkt des Brennstoffs und der Luft so hoch, daß die Zuführung des Gemisches zu der eigentlichen Brennkraftmaschine eingeschränkt wird. Aus diesem Grund ist zweckmäßigerweise im Einlaßsystem ein Luftbypass vorgesehen, der Luft an einer Stelle stromab von der wärmeabgebenden Zone des Wärmerohres in das Einströmsystem einführt. Der Einsatz eines solchen Bypasses wird zweckmäßigerweise durch eine Drossel l'eguliert, die bei hoher Drehzahl offen ist, beispielsweise automatisch in Verbindung mit der Drossel der Brennstoffzufuhr, also der Drossel des Vergasers oder einer anderen Brennstoffzunießeinrichtung, beispielsxfeise bei der Brennstoffeinspritzung.

Eine andere Einrichtung zum Kompensieren des Druckabfalls stromab von der Wärmeabgabezone, die ohne Bypass oder zusätzlich zu einem Bypass verwendet werden kann, ist ein Kompressor bzw. ein sogenannter Lader. Die Verwendung eines Kompressors hat den im folgenden näher erläuterten Vorteil.

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- Io -

Um die Menge der schädlichen Verbindungen in den Abgasen, die hauptsächlich aus CO₁ Stickoxyden (NO ) und Kohlenwasserstoffen bestehen, so niedrig vrie möglich zu halten, betreibt man vorteilhafterweise die Maschine mit mageren Gemischen, d. h. es wird eine Luftmenge verwendet, die größer ist als die für die vollkommene Verbrennung des Brennstoffs zu CO₀ und H₀O erforderliche.· Dadurch erhält man weniger Leistung von der Maschine, verglichen mit einem Betrieb mit den optimalen Mengen von Brennstoff und Luft. Die Leistungsabgabe wird durch den Kompressor erhöht, wodurch der vorstehende Leistungsverlust kompensiert wird. Der Kompressor kann in dem System stromab von der Wärmeabgabezone angeordnet werden, bevorzugt wird jedoch, daß der Lader die Luft komprimiert, bevor sie mit dem Brennstoff gemischt wird.

Wie vorstehend erwähnt wurde, können für den Kaltstart spezielle Einrichtungen benutzt werden, damit das Wärmerohr so bald wie möglich arbeitet und den Brennstoff so bald wie möglich nach dem Start verdampft. Anstelle der bereits genannten Einrichtungen oder zusätzlich dazu, kann es von Vorteil sein, wenn unabhängige Heizeinrichtungen in dem Strom vorhanden sind, der aus dem Gemisch von Brennstoff und wenigstens dem Ilauptteil der Verbrennungsluft besteht. Diese Heizeinrichtungen bestehen zweckmäßigerweise aus einer elektx-isch beheizten Fläche, beispielsweise einer Widerstandsspule. Vorzugsweise werden diese Einrichtungen automatisch beim Start eingeschaltet und automatisch abgeschaltet, beispielsweise wenn das Wärmerohr die Betriebstemperatur erreicht und von den Abgasen erwärmt wird. Die Temperatur dieser Heiζeinrichtungen wird vorzugsweise durch eine elektrische Schaltung gesteuert, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Um die schädlichen Verbindungen in den Abgasen beim Start so weit wie möglich auf ein Minimum zu reduzieren, kann es von Vorteil sein, in das Einströmsy;tem der Brennkraftmaschine

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gemäß der Erfindung einen kleinen Vergaser einzusetzen, der ein Brennstoff-Luft-Gemiscb erzeugt,· welches für den Leerlauf der Maschine oder für eine sehr niedrige Drehzahl ausreicht. Dieser kleine Vergaser wird beim Start automatisch eingesetzt. Die Abgase von der mit dem kleinen Vergaser laufenden Maschine erwärmen das Wärmeübertragungsfluid in dem Wärmerohr. Der Hauptvergaser oder im Falle der Brennstoffeinspritzung die Hauptbrennstoffzuführung durch Einspritzung beginnt automatisch zu arbeiten, wenn das Wärmerohr die Betriebstemperatur erreicht.

Jede der vorstehenden, für den Kaltstart verwendeten Einrichtungen kann für sich allein angeordnet werden, es ist jedoch auch möglich, daß zwei oder mehr dieser Einrichtungen gleichzeitig in dem Einströmsystem einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine vorhanden sind.

Um das Wärmerohr so kurz wie möglich zu halten, werden der Teil des Einströaisystems, in dem Brennstoff und Luft gemischt werden, und der Teil des Einströmsystems, in dem der Brennstoff mit Hilfe des Wärmerohres verdampft wird, an der Abgasseite der Brennkraftmaschine, vorzugsweise im wesentlichen über dem Abgas- bzw. Auspuffsystem angeordnet. Das erhitzte Gemisch des verdampften Brennstoffes und der Luft wird zweckmäßigerweise von da über die Maschine, beispielsweise über oder längs der Maschine zu einer Stelle geführt, wo es auf die Zylinder der Brennkrafttnaschine verteilt wird.

Um ein Aussetzen der Maschine mit schwachen bzw. mageren Brennstoff-Luft-Gemischen, die vorzugsweise verwendet werden, zu vermeiden, ist es vorteilhaft, in der Nähe des Einlasses eines jeden Zylinders ein einstellbares Ventil für die Einführung von Luft vorzusehen.

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Voi-zugsweise ist die Brennkraftmaschine eine mit Funkenzündung arbeitende Maschine (Otto-Prozeß).

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht es, daß ein Benzinmotor mit Gemischen läuft, die sehr mager sind, die über ein Luft-Brennstoff-Verhältnis von 2o : 1 hinausgehen, so daß die Kohlenmonoxyd- und Stickoxydpegel gleichzeitig sehr niedrig sind.

Dadurch, daß Brennstoff mit extrem mageren bzw. armen Gemischen verbrannt werden kann, ist es auch möglich, Brennstoff mit einer niedrigen Octanzahl wirksam mit dem gleichen Dichtungsverhaltnis zu verwenden. Dies ist deswegen von besonderer Bedeutung, da bei den gegenwärtigen Raffinierprozessen bleifreier Brennstoff auf wirtschaftlicher Basis mit g3.eich hohen Octanwerten wie gebleite Superbenzine nicht hergestellt werden kann.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht eine erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung.

Fig. 2 zeigt in einer Ansicht wie Fig. 1 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Wärmerohr zusätzlich eine Menge nicht kondensierbaren Gases enthält.

Fig. 3 zeigt in einer Ansicht wie Fig. 1 eine dritte Ausführung s fο rm.

Fig. k zeigt in einer Ansicht wie Fig. 1 eine vierte Ausführungsform.

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Die als Teil eines Einströmsystems einer Brennkraftmaschine mit Fremdzündung verwendete Brennstoffverdampfungsvorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt ein Wärmerohr lo, dessen Wärnieaufnahniezone A so angeordnet ist, daß Wärme von den Abgasen in der Abgasleitung 22 aufgenommen-wird. Die Flüssigkeit in dem Wärmerohr ist gestrichelt eingezeichnet und mit 12, der Dampf mit l6 bezeichnet. Ein Gemisch von Brennstoff und Luft wird über die Leitung 21 zugeführt und soll über die Leitung 24, die in der Wärmeabgabezone B des Wärmerohres angeordnet ist, ausreichend Wärme bei konstanter Temperatur aufnehmen, so daß gewährleistet ist, daß der ganze Brennstoff verdampft wird. Das so erhaltene Gemisch wird der Brennkraftmaschine über die Leitung 26 zugeführt.

Die erforderliche Brennstoffzumeßausrustung ist nicht gezeigt. Diese Ausrüstung muß in der Lage sein, eine geeignete Brennstoffmenge zu liefern, was von Faktoren wie der Drehzahl und der Belastung abhängt.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform ist der von Fig. 1 ähnlich. Das Wärmerohr Io ist durch die Anordnung einer Kühleinrichtung 3o an seinem oberen Ende "temperaturstabilisiert". Durch eine kleine Menge eines nicht kondensierbaren Gases 32 wird normalerweise ein Kontakt des Dampfes l6 des Wärmeübertragungsfluids mit diesem Teil des Wärmerohres vermieden. Die Zwischenfläche zwischen dem nicht kondensierbaren Gas und dem Dampf des Wärmeübertragungsfluids ist mit 2o bezeichnet.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der von Fig. 2 nur dadurch, daß der Brennstoff in Anwesenheit des Hauptstroms der Verbrennungsluft in der Wärmeabgabezone B verdampft wird. Eine kleine Luftmenge kann von dem Hauptstrom der Verbrennungsluft durch einen Bypass 29 abgezogen werden. Der Bypasstrom kann mit Hilfe einer Drosselklappe 28 reguliert

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werden, die automatisch durch die Drossel der Brennstoffzufuhr gesteuert werden kann. Der Brennstoff wird mit dem Hauptstrom der Luft über die Einrichtung 33 gemischt, die beispielsweise ein Vergaser oder eine Brennstoffeinspritzeinrichtung sein kann.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist das nicht kondensierbare Gas 32 in einem Balg 4l aus rostfreiem Stahl enthalten und somit physikalisch von dem Dampf l6 des Wärmeübertragungsfluids getrennt. Der obere Teil des Wärmerohres Io enthält Kühleinrichtungen 3o, die mit Kühlflüssigkeit von der Brennkraftmaschine über die Leitung 42 versorgt werden. Der Abgaseinlaß 22 ist mit einem Bypass 46 versehen, der durch ■ ein bimetallgesteuertes Nebenstroraventil 47 reguliert wird. Für das Aufheizen des Wärmeübertragungsfluides beim Kaltstart ist ein selbstblasender Brenner in der Bauweise einer Benzinlötlampe 48 vorhanden. Diese Lampe wird über die Leitung 49 Benzin zugeführt, wobei die Zuführung durch ein solenoidgeschlossenes Ventil 5°i das normalerweise geschlossen ist, überwacht wird, welches beim Kaltstart öffnet und automatisch schließt, wenn das Wärmerohr seine Betriebstemperatur erreicht. Die Zündung erfolgt durch eine elektrische Heizwicklung 51» die ebenfalls automatisch reguliert wird. Die von der Lampe abgehenden Gase werden über einen rohrförmigen Siedekörper 52 zum Auspuff geführt. Ein Klappenventil 53 verhindert einen Rückstrom vom Auspuff. Über die Leitung 54 werden alle Abgase, die in Kontakt mit dem Wärmerohr standen, zum Auspuffrohr des Fahrzeugs geführt.

Anhand des nachstehenden Beispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Zur Veranschaulichung des Einflusses der Homogenität eines Brennstoff-Luft-Gemisches auf die Mengen von Kohlenmonoxyd im Abgas wird eine 197« verordnete Abgasüberprüfung (Federal Register, Vol. 33, No. 8, Pt. II, 4. Juni 1968) an einem Kraftfahrzeug (Triumph Herald I500) vorgenommen. Dieser

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Versuch ist ein sieben Zyklen fassender Versuch, der siebenmal wiederholt wird. Die Gesamtdauer des Versuches beträgt 959 s. Die während der ersten vier Zyklen erhaltenen Messungen werden als "kalte" Ex^gebnisse betrachtet, die während des sechsten und siebten Zyklus erhaltenen Ergebnisse sind die "heißen" Ergebnisse. Um die Emissionen des gesamten Zyklus auf einer Massenbasis zu erhalten, wird ein Wägevorgang durchgeführt.

Die Versuchszyklen werden mit einer Vergasereinstellung oder mit einer Zusammensetzung durch einen Mischgenerator mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis durchgeführt, das so mager bzw. arm wie möglich ist. Bei Einstellungen, die ein noch ärmeres Verhältnis ergeben wurden als dieser Gx*enzzustand, würde das Fahrzeug den Beschleunigungsweisen des Versuchszyklus nicht mehr folgen.

Die Versuche werden mit dem optimal armen Dampf-Luft-Gemischen ausgeführt, die auf zwei Arten hergestellt werden, nämlich einmal mit einem Mischgenerator (SAE-Paper Nr. 71~ö 588), der Einfluß der homogenen Füllung auf die Abgasemission von Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxyd und Stickoxyd aus einer mehrzylindrigen Maschine (R. Lindsay et al), was zu einem sehr homogenen Brennstoff-Luft-Gemisch führt, und mit einem Vergaser (Lipton L.P.), der ein weniger homogenes Luft-Brennstoff-Gemisch herstellt.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle aufgeführt. Wie man sieht, ist die Emission von Kohlenmonoxyd bei Benutzung eines Mischgenerators, der zu einem sehr homogenen Luft-Brennstoff-Gemisch führt, niedriger als bei der Verwendung eines Vergasers. Die erhaltene Verdampfung eines Luft-Brennstoff-Gemisches mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt zu einem Gemisch von Brennstoff und Luft, das homogener ist als ein Gemisch, das mit einer Vorrichtung erzielt wird, bei welcher Brennstoff verdampft wird und dann mit Verbrennungsluft vermischt wird. Durch den Einsatz der ersteren Vorrichtung erhält man eine wesentlich günstigere Zusammensetzung der Abgase der Brennkraftmaschine.

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TABELLE

Gemisch aus Abgas- Emission auf einer Konzentrations- gesamte

. , basis von ppm.Vol. oder % Vol. Emissions· komponente '

"kalte" Zyklen "heiße" Zyklen "/Meile

to Vergaser CO o,45 % o,7 % 16,1

^ Misch-

o generator CO 0,03 % o,o9 % 1,73

Die Erfindung bezieht sich jedoch nicht nur auf eine Brennstoffverdampfungsvorrichtung, sondern sie bezieht sich auch auf Kraftfahrzeuge, die mit einer Verbrennungskraftmaschine versehen sind, die ihrerseits mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffverdaim>£u:v^f.:·.-vorrichtung ausgerüstet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Wärmerohr zur Verwendung in einer Brennstoffverdampfungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Art, das ein Wärmeübertragungsfluid mit einem Siedepunkt bei Atmosphärendruck von bis zu 400°C und ein nicht kondensierbares Gas enthält.

Wenngleich in den Figuren eine besonders vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Brennstoffverdampfungsvorrichtung gezeigt ist, ist die Erfindung jedoch auf die in den Figuren gezeigte Ausführungsform nicht beschränkt.

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Claims

Ansprüche

1. Brennstoffverdampfungsvorrichtung zum Verdampfen der flüssigen Brennst of füllung im Einströinsyatem einer Brennkraftmaschine vor dem Einführen in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch wenigstens ein Wärmerohr (lo) in Form eines im wesentlichen abgedichteten Behälters, der Wärraeübcrtragungsfluid mit einem Siedepunkt bei Atmosphärendruck von bis zu 4oo C enthält und so gebaut ist, daß in Betrieb das Warmeubertragungsfluid in der flüssigen Phsre (12) in einer Wärmeaufnahmeζone (A), in der es mit heißen Abgasen der Brennkraftmaschine in Kontakt bringbar ist, Wärme aufnimmt und in der Dampfphase (16) kondensiert und Wärme in einer Wärmeabgabezone (B) abgibt, in der es mit der zu verbrennenden Brennstoffüllung in Kontakt bringbar ist, nachdem die Brennstoffüllung mit wenigstens dem Hauptteil der Verbrennungsluft gemischt worden 1st.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsfluid in dem Wärmerohr (lo) einen Siedepunkt bei Atmosphärendurck von 6o bis 3°° C hat.

3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsfluid Wasser aufweist.

k. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Wärmequelle (48) für das Wärmeübertragungsfluid in dem Wärmerohr (Io), die automatisch von dem Zündschalter der Maschine zündbar ist und automatisch abgeschaltet wird, wenn das Wärmerohr (lo) die Betriebstemperatur erreicht, bei der es durch die Abgase erhitzt wird.

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5· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das- Wärmerohr (lo) zusätzliche Kühleinrichtungen (3o) im oberen' Teil des Wärmerohres (lo) enthält, die mit Hilfe des Kühlsystems der Brennkraftmaschine gekühlt werden.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (lo) ein nicht kondensierbares Gas (32) enthält.

7· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine physikalische Trennung (4l) zwischen dem nicht kondensierbaren Gas (3^) und dem Wärmeübertragungsfluid.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Eins trennsystem einer Brennkraftmaschine angeordnet ist.

9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Einströnisystem im Abgassystem ein Nebenstromventil (^7) hat, das einen TeiJ. der Abgase zu einem Bypass (46) führt und das automatisch regulierbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9« dadurch gekennzeichnet, daß das Einströmsystem einen Luftbypass (29) hat, durch den Luft an einer Stelle stromab von der Wärmeabgabezone (B) des Wärmerohres (lo) in das Einströmsystem eingeführt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß das Einströmsystem in dem Luftstrom einen Kompressor aufweist.

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12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Einströmsystem unabhängige Heizeinrichtungen in dem Strom des Gemisches von Brennstoff und wenigstens dem Hauptteil der Verbrennungsluft aufweist, die automatisch beim Start einschaltbar und automatisch abschaltbar sind, wenn das Wärmerohr (lo) die Betriebstemperatur erreicht, bei der es von den Abgasen beheizt ist.

13· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Einströmsystems, in welchem der Brennstoff und die Luft gemischt werden, und der Teil des Einströmsystems, in dem der Brennstoff mit Hilfe des Wärmerohres (lo) verdampft wird, im wesentlichen über dem Abgassystem angeordnet sind.

l4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einströmsystem in der Nähe des Einlasses eines jeden Zylinders ein einstellbares Ventil zum Einführen von Luft angeordnet ist.

15· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis l4,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einströmsystem ein kleiner Vergaser angeordnet ist, der automatisch beim Start verwendet -wird, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, damit die Abgase von der Brennkraftmaschine, die von dem kleinen Vergaser gespeist wird, das Wärmeübertragungsfluid in dem Wärmerohr (lo) heizen, und daß der Hauptvergaser oder im Falle der Brennstoffeinspritzung die Hauptbrennstoffzufuhr durch Einspritzung automatisch zu arbeiten beginnt, wenn das Wärmerohr (lo) die Betriebstemperatur erreicht .

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l6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis I5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine Fremdzündung hat.

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